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DE102007028735B4 - Three-dimensional measurement of objects with detection of the object texture - Google Patents

Three-dimensional measurement of objects with detection of the object texture Download PDF

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DE102007028735B4
DE102007028735B4 DE200710028735 DE102007028735A DE102007028735B4 DE 102007028735 B4 DE102007028735 B4 DE 102007028735B4 DE 200710028735 DE200710028735 DE 200710028735 DE 102007028735 A DE102007028735 A DE 102007028735A DE 102007028735 B4 DE102007028735 B4 DE 102007028735B4
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Abstract

Verfahren zur Form- und Texturerfassung eines Objektes, bei welchem ein 3D-Sensor und eine digitale Kamera zur Aufzeichnung digitaler Fotos verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass – das Objekt (4) von einem Gehäuse (5) umgeben wird, welches – das Objekt (4) mit einem Großteil des vollständigen Raumwinkels (4π) umschließt; – dessen Innenseite oder Außenseite direkt oder indirekt mit einer oder mehreren Lichtquellen beleuchtet wird (8), so dass die Innenseite selbst so leuchtet, dass Licht aus allen Raumrichtungen gleich hell auf das Objekt (4) trifft; – die so leuchtende Innenseite als Lichtquelle für eine Fotoaufnahme mit der digitalen Kamera dient; – das Objekt (4) im Inneren des Gehäuses mit Hilfe einer Positioniereinheit oder manuell in verschiedene Positionen gebracht wird; – eine Sequenz von Fotoaufnahmen in verschiedenen Positionen des Objekts erfolgt, welche eine Texturmessung von verschiedenen Seiten ermöglicht; – eine Sequenz von 3D-Aufnahmen in den verschiedenen Positionen des Objekts erfolgt, welche eine 3D-Messung von verschiedenen Seiten ermöglicht; und – die Fotos aus der digitalen Fotokamera mathematisch auf die 3D-Daten des Objekts (4) projiziert werden.Method for shape and texture detection of an object, in which a 3D sensor and a digital camera are used for recording digital photos, characterized in that - the object (4) is surrounded by a housing (5), which - the object ( 4) encloses with a large part of the complete solid angle (4π); - whose inside or outside is illuminated directly or indirectly with one or more light sources (8), so that the inside itself is illuminated so that light from all spatial directions equally bright hits the object (4); - The so bright inside serves as a light source for taking a photo with the digital camera; - The object (4) is brought inside the housing by means of a positioning unit or manually in different positions; A sequence of photographs is taken in different positions of the object, which allows texture measurement from different sides; A sequence of 3D images is taken in the different positions of the object, which enables a 3D measurement from different sides; and - the photos from the digital camera are mathematically projected onto the 3D data of the object (4).

Description

In vielen Anwendungen in Technik, virtueller Realität und Denkmalpflege werden 3D-Sensoren zur dreidimensionalen Erfassung der Form eingesetzt. Beispielhafte Aufgabenstellungen sind: Erfassung von Konsumgütern, Vermessung von Statuen. Beispielhafte Messprinzipien für optische 3D-Sensoren sind Lasertriangulation oder codierte Beleuchtung, z. B. durch Streifenprojektion.In many applications in technology, virtual reality and monument preservation, 3D sensors are used for the three-dimensional detection of the shape. Exemplary tasks are: acquisition of consumer goods, measurement of statues. Exemplary measurement principles for 3D optical sensors are laser triangulation or coded illumination, e.g. B. by fringe projection.

Die Qualität der optischen 3D-Vermesung ist von der Oberfläche des Messobjektes abhängig. Spiegelnde, sehr dunkle oder transparente Oberflächen lassen sich in der Regel nicht messen. Hier hilft man sich häufig durch das sogenannten ”Präparieren” der Objektoberfläche. Darunter wird üblicherweise ein Besprühen und somit Überdecken der Objektoberfläche mit einem hellen, gut streuenden Material, z. B. Kreidepulver oder Titandioxid, verstanden.The quality of the 3D optical measurement depends on the surface of the measurement object. Mirroring, very dark or transparent surfaces can not usually be measured. Here one often helps one by the so-called "preparation" of the object surface. Among these is usually a spraying and thus covering the object surface with a bright, well-scattering material, eg. As chalk powder or titanium dioxide, understood.

Die entstehenden 3D-Daten werden üblicherweise durch Dreiecksnetze repräsentiert.The resulting 3D data is usually represented by triangular meshes.

Häufig soll zusätzlich neben der Form des Objektes auch die Textur der Objektoberfläche erfasst werden. Dies ist besonders im Bereich der virtuellen Realität gefragt.Frequently, in addition to the shape of the object, the texture of the object surface should also be recorded. This is particularly in demand in the area of virtual reality.

Es ist bekannt, ein sogenanntes ”Mapping einer Textur” auf 3D-Dreiecksnetze durchzuführen.It is known to perform a so-called "mapping of a texture" on 3D triangular meshes.

Die Verwendung von Texturen, welche durch digitale Photographie gewonnen wurden, erläutert beispielsweise Yahya Alshawabkeh in ”Integration of Laser Scanning and Photogrammetry for Heritage Documentation”, Dissertation am Institut für Photogrammetrie der Universität Stuttgart 2006, Seite 66 bis 71; zugänglich unter
http://elib.uni-stuttgart.de/opus/volltexte/2006/2899/
The use of textures obtained by digital photography, for example, explains Yahya Alshawabkeh in "Integration of Laser Scanning and Photogrammetry for Heritage Documentation", Ph.D. Thesis at the Institute of Photogrammetry, University of Stuttgart 2006, pages 66 to 71; accessible under
http://elib.uni-stuttgart.de/opus/volltexte/2006/2899/

Dazu werden zunächst mit einem 3D-Sensor die 3D-Daten des Objektes vermessen. Zusätzlich wird dem System eine fotografische Kamera hinzugefügt, welche mit einem elektronischen Bildsensor ausgestattet ist, der Farbbilder aufnehmen kann. Die Kamera wird relativ zum Sensor mit Hilfe der Methode der aus der Photogrammetrie bekannten ”Kamerakalibration” kalibriert Die starre Einheit aus 3D-Sensor und Kamera wird im Folgenden als ”Aufnahmeeinheit” bezeichnet.For this, the 3D data of the object are first measured with a 3D sensor. In addition, a photographic camera is added to the system, which is equipped with an electronic image sensor that can capture color images. The camera is calibrated relative to the sensor using the method of "camera calibration" known from photogrammetry. The rigid unit of 3D sensor and camera is hereinafter referred to as "acquisition unit".

Ein optischer Sensor führt die Erfassung oder Messung in der Regel nur aus einer Blickrichtung aus. Eine häufige Aufgabenstellung ist die Rundum-Vermessung des Objektes. Um das Objekt rundum zu vermessen, erfolgen mehrere Aufnahmen, zwischen denen jeweils die auf das Objekt gerichtete Aufnahmeeinheit an verschiedene Orte um das Objekt herum gebracht wird. Alternativ kann auch das Objekt gedreht werden. Dabei steuert die Rechen- und Auswerteinheit mit Hilfe einer geeigneten Ansteuerelektronik sowohl die Aufnahmeeinheit als auch gegebenenfalls eine Positioniereinheit zur Drehung des Objektes.An optical sensor usually performs the acquisition or measurement only from one viewing direction. A common task is the all-around measurement of the object. In order to measure the object all around, take several shots, between each of which the receiving unit directed to the object is brought to different locations around the object. Alternatively, the object can also be rotated. In this case, the arithmetic and evaluation unit controls with the aid of suitable control electronics both the receiving unit and optionally a positioning unit for rotating the object.

Dann erfolgt das Zusammensetzen und Triangulieren der 3D-Aufnahmen und das Mapping der Textur, bei dem aus den verschiedenen Richtungen, in denen sich die fotografische Kamera befunden hat, die Texturdaten mathematisch mit Hilfe einer Rechen- und Auswerteeinheit auf die 3D-Daten projiziert werden. Die Parameter der Projektion sind durch die Kamerakalibrierung festgelegt. Die 3D-Daten sind üblicherweise als Dreiecksnetz repräsentiert. Bei der Projektion wird auf jedes Dreieck ein dreieckiger Ausschnitt der fotografischen Aufnahme projiziert. Dieser dreieckige Ausschnitt wird bei Visualisierungen stets so behandelt, als sei er fest auf dem Dreieck, also ein dreieckiger Ausschnitt der farbigen Oberfläche des Objektes. 1 zeigt ein solches Fotomapping über zwei Dreiecke hinweg.Then, the composition and triangulation of the 3D images and the mapping of the texture, in which the texture data from the various directions in which the photographic camera was located, are mathematically projected onto the 3D data with the aid of a computing and evaluation unit. The parameters of the projection are determined by the camera calibration. The 3D data is usually represented as a triangle mesh. During projection, a triangular section of the photographic image is projected onto each triangle. For visualizations, this triangular section is always treated as if it were fixed on the triangle, ie a triangular section of the colored surface of the object. 1 shows such a photo mapping across two triangles.

Die Aufnahmen (3D und Foto) erfolgen im Allgemeinen aus mehreren Richtungen. Es ist grundsätzlich möglich, jedes der Fotos aus seiner Aufnahme-Richtung auf die 3D-Daten zu projizieren. Aufgrund der Gesetze der Geometrie wird die Texturinformation korrekt zusammengesetzt und es entsteht ein rundum-vermessenes Objekt mit Textur.The images (3D and photo) are generally taken from several directions. It is basically possible to project each of the photos from its recording direction onto the 3D data. Due to the laws of geometry, the texture information is assembled correctly and creates a completely measured object with texture.

Voraussetzung ist unter anderem

  • a) fehlerfreie 3D-Ortsinformation,
  • b) fehlerfreie Kamerakalibration, aber auch, wie im nächsten Abschnitt dargestellt,
  • c) gleich-bleibende Beleuchtungsbedingungen, unabhängig von der Beleuchtungsrichtung.
Condition is among other things
  • a) error-free 3D location information,
  • b) error-free camera calibration, but also, as shown in the next section,
  • c) uniform lighting conditions, regardless of the direction of illumination.

Bei der Realisierung eines solchen Systems bestehen Probleme beim Übergang zwischen den aus verschiedenen Richtungen aufgenommenen Fotos. Zum einen sind die Voraussetzungen a) und b) nicht genau, sondern in der Praxis nur mit einem gewissen Fehler erfüllt. Dadurch entstehen bei Betrachtung des texturierten Gitternetzes 3D-Bild-Sprünge an den Übergangsstellen zwischen den Projektionen der verschiedenen Fotos. Zum anderen werden an der gleichen Stelle Sprünge in der Helligkeit beobachtet. Weiter ist das Präparieren der Objekte oft nicht möglich, weil durch das Präparieren die Textur zugedeckt und somit nicht fotografisch aufgenommen werden kann.When implementing such a system, there are problems in the transition between photos taken from different directions. On the one hand, the requirements a) and b) are not exact, but in practice only fulfilled with a certain error. As a result, when viewing the textured grid, 3D image jumps occur at the interfaces between the projections of the various photos. On the other hand, jumps in brightness are observed at the same place. Further, the preparation of the objects is often not possible because the texture can be covered by the preparation and thus can not be photographically recorded.

Die Erfindung soll die beschriebenen Probleme beim Stand der Technik lösen. Ferner soll die Erfindung es möglich machen, bei transparenten Objekten oder bei Objekten mit einer spiegelnden Komponente der ansonsten diffusen Reflexion die Dreiecksnetze mit einer näherungsweise ermittelten Textur zu versehen.The invention is intended to solve the problems described in the prior art. Furthermore, the invention should make it possible in transparent objects or objects with a reflective component of the otherwise diffuse reflection the To provide triangular meshes with an approximate texture.

Lösungen finden sich in den Ansprüchen 1, 5 oder 6.Solutions can be found in claims 1, 5 or 6.

Die Sprünge in der Helligkeit sind wie folgt zu erklären: Bei der Aufnahme herrscht eine bestimmte Beleuchtungssituation im Raum, z. B. der bewölkte Himmel beleuchtet das Objekt durch ein Fenster. Ein Objektdetail streut die empfangene Beleuchtung in den Raum ab. An einer gewissen Stelle im Raum befindet sich die Fotokamera. Die Streuung erfolgt im Allgemeinen nicht gleichmäßig stark in alle Raumrichtungen.The jumps in the brightness can be explained as follows: During the recording, there is a certain lighting situation in the room, eg. B. the cloudy sky illuminates the object through a window. An object detail scatters the received illumination into the room. At some point in the room is the camera. The scattering is generally not uniformly strong in all spatial directions.

Die Streuung ist fast immer stark vom Winkel zwischen der Beleuchtungsrichtung und der Orientierung des Objektdetails abhängig. Diese Abhängigkeit (”Objektfunktion”) kann zum Beispiel für ”ideale Streuobjekte” durch das Lambertsche Gesetz beschrieben werden. Für reale Streuobjekte ist die Abhängigkeit vom Beleuchtungswinkel durch eine andere Funktion zu beschreiben. Diese andere Objektfunktion ist von der Oberfläche des Objektes abhängig; bei Objekten, in die das Licht teilweise eindringen kann, zudem noch von den Streueigenschaften des Objektes unterhalb seiner Oberfläche. Beim menschlichen Gesicht beispielsweise handelt es sich um ein solches Objekt, in das das Licht teilweise eindringt. Die beschriebenen Oberflächen- und Streueigenschaften von Haut und Gewebe des Gesichts variieren ortsabhängig über das Gesicht hinweg und sind von Mensch zu Mensch unterschiedlich. Aber auch bei anderen (technischen) Objekten ist die Beschreibung der Oberflächen- und Streueigenschaften kompliziert. Theoretische Modelle gibt es zwar, diese sind jedoch in der Praxis wegen Unkenntnis der Parameter nicht verwendbar.The scattering is almost always strongly dependent on the angle between the direction of illumination and the orientation of the object detail. This dependency ("object function") can be described, for example, for "ideal scattering objects" by Lambert's law. For real scattered objects, the dependence on the illumination angle is to be described by another function. This other object function depends on the surface of the object; for objects, in which the light can partially penetrate, also of the scattering properties of the object below its surface. The human face, for example, is such an object in which the light partially penetrates. The described surface and scattering properties of the skin and tissue of the face vary depending on the location of the face and vary from person to person. But even with other (technical) objects, the description of the surface and scattering properties is complicated. Theoretical models exist, but in practice they are unusable due to ignorance of the parameters.

Versuche, die Objektfunktion zu modellieren, verbessern zwar das Ergebnis gegenüber dem direkten Mapping der Fotos ein wenig, die Ergebnisse sind aber weiterhin schlecht und es bestehen weiterhin Helligkeitssprünge an den Übergangsstellen zwischen den Projektionen der verschiedenen Fotos. Das Problem kann nicht ohne Qualitätseinbuße mit Hilfe von Berechnungen in der Rechen- und Auswerteeinheit gelöst werden, vielmehr muss man das Messgerät selbst körperlich verändern.Although attempts to model the object function improve the result somewhat compared to the direct mapping of the photos, the results are still poor and brightness jumps persist at the junctions between the projections of the various photos. The problem can not be solved without loss of quality with the help of calculations in the computing and evaluation unit, but you have to physically change the meter itself.

Das Problem kann erfindungsgemäß durch eine Beleuchtung gelöst werden, welche aus allen Raumrichtungen 4π gleich hell auf das Objekt eintrifft. Ein Objekt in einer Ulbrichtkugel löst das Problem. Somit wird erfindungsgemäß in einem Verfahren oder einer Vorrichtung das Objekt mit einem Gehäuse umgeben, welches an seiner Innenseite weiß und gut streuend sein soll.According to the invention, the problem can be solved by an illumination which arrives at the object with the same brightness from all spatial directions 4π. An object in an integrating sphere solves the problem. Thus, according to the invention, in a method or a device, the object is surrounded by a housing which is to be white on its inside and to be readily scattering.

Die notwendigen Durchführungen (als Öffnungen) zu den optischen Komponenten der Aufnahmeeinheit sollen nur einen kleinen Raumwinkel beanspruchen.The necessary feedthroughs (as openings) to the optical components of the recording unit should require only a small solid angle.

Die Wände können teiltransparent sein und von außen großflächig mit einer geeigneten Beleuchtung beleuchtet werden. Diese Beleuchtung würde aber bei der 3D-Messung stören und wird vorzugsweise für die 3D-Messung abgeschaltet. Man kann für die Erfassung der Textur Blitzlichter verwenden, die synchron zur Fotoaufnahme blitzen.The walls can be semi-transparent and illuminated from the outside over a large area with suitable lighting. However, this illumination would interfere with the 3D measurement and is preferably switched off for the 3D measurement. You can use flashlights to capture the texture that flash in sync with the photo.

Um die Drehung des Objektes im Gehäuse für die verschiedenen Aufnahmen zu gewährleisten, kann ein Drehteller verwendet werden. Dieser soll dann ebenfalls weiß diffus reflektieren. Im Allgemeinen kann anstelle des Drehtellers eine beliebige andere Positioniereinheit treten, z. B. ein Roboterarm.In order to ensure the rotation of the object in the housing for the different shots, a turntable can be used. This should then also reflect white diffuse. In general, instead of the turntable can occur any other positioning, z. B. a robot arm.

Die angefahrenen Positionen des Drehtellers bzw. der Positioniereinheit sollen vorzugsweise für die spätere Auswertung bekannt sein. Wenn sie nicht bekannt sind, können Algorithmen verwendet werden, die Transformationen aus den 3D-Teilansichten berechnen können (sogenannte Registrierungs-Algorithmen). Weil ebendies technisch möglich ist, sind auch Ausführungsformen ohne Drehteller möglich, bei denen das Objekt in nicht genau bekannter Weise manuell verdreht und verschoben wird. Ferner ist eine Kombination von definierten Drehtellerschritten und Verdrehungen per Hand möglich, um das Objekt von allen Seiten erfassen zu können. Bei der Kombination brauchen die Registrierungsalgorithmen nur für die Bewegungen verwendet werden, bei denen Drehungen per Hand durchgeführt wurden. Die restlichen Transformationen werden auf Grund der bekannten Drehtellerstellungen berechnet.The approached positions of the turntable or the positioning unit should preferably be known for later evaluation. If they are not known, algorithms can be used which can calculate transformations from the 3D partial views (so-called registration algorithms). Because this is technically possible, embodiments without turntables are possible in which the object is rotated and moved manually in not exactly known manner. Furthermore, a combination of defined turntable steps and twists by hand is possible to capture the object from all sides. In combination, the registration algorithms only need to be used for the movements where twists were done by hand. The remaining transformations are calculated on the basis of the known turntable positions.

Im Gehäuse werden Mehrfachstreuungen an den Wänden stattfinden, so dass sich eine annähernd homogene Beleuchtung gleichmäßig für alle Richtungen einstellt und somit auch der Drehteller eine näherungsweise gleiche Helligkeit erhält und selbst gleichmäßig hell erscheint.In the housing will be multiple scattering on the walls, so that sets an approximately homogeneous illumination evenly for all directions and thus also the turntable receives an approximately equal brightness and even appears evenly bright.

Beispiele erläutern ”bestimmungsgemäß” die beanspruchte Erfindung, ohne sie zu beschränken.Examples exemplify the claimed invention "as intended" without limiting it.

1 zeigt ein Fotomapping über zwei Dreiecke hinweg. 1 shows a photo mapping across two triangles.

2 erweitert die zur Messung notwendige Hardware 2 extends the hardware required for the measurement

3 skizziert eine wirtschaftliche Lösung zur Realisierung der Beleuchtung des Gehäuses 3 outlines an economical solution for the realization of the illumination of the housing

Das skizzierte Problem wird durch eine Beleuchtung gelöst, welche aus allen Raumrichtungen 4π gleich hell auf das Objekt eintrifft. Ein Objekt in einer Ulbrichtkugel löst das Problem. Somit wird nach 2 in einem Verfahren oder einer Vorrichtung das Objekt 4 mit einem Gehäuse 5 umgeben, welches an seiner Innenseite weiß und gut streuend sein soll.The sketched problem is solved by a lighting, which from all spatial directions 4π equal to the object arrives. An object in an integrating sphere solves the problem. Thus, after 2 in a method or device, the object 4 with a housing 5 surrounded, which on its inside should be white and well-dispersing.

Die Öffnungen als Durchführungen 6 zu den optischen Komponenten der Aufnahmeeinheit 3 sollen nur einen kleinen Raumwinkel beanspruchen.The openings as feedthroughs 6 to the optical components of the recording unit 3 should only claim a small solid angle.

Die Wände können teiltransparent sein und von außen großflächig mit einer geeigneten Beleuchtung 8 beleuchtet werden. Diese Beleuchtung würde aber bei der 3D-Messung stören und wird vorzugsweise für die 3D-Messung abgeschaltet. Man kann für die Erfassung der Textur Blitzlichter verwenden, die synchron zur Fotoaufnahme blitzen.The walls can be partially transparent and from the outside large area with a suitable lighting 8th be illuminated. However, this illumination would interfere with the 3D measurement and is preferably switched off for the 3D measurement. You can use flashlights to capture the texture that flash in sync with the photo.

Um die Drehung des Objektes im Gehäuse für die verschiedenen Aufnahmen zu gewährleisten, kann ein Drehteller 7 verwendet werden. Dieser soll dann ebenfalls weiß diffus reflektieren. Im Allgemeinen kann anstelle des Drehtellers eine beliebige andere Positioniereinheit treten, z. B. ein Roboterarm.To ensure the rotation of the object in the housing for the various shots, a turntable 7 be used. This should then also reflect white diffuse. In general, instead of the turntable can occur any other positioning, z. B. a robot arm.

Die angefahrenen Positionen des Drehtellers bzw. der Positioniereinheit sollen vorzugsweise für die spätere Auswertung bekannt sein. Wenn sie nicht bekannt sind, können Algorithmen verwendet werden, die Transformationen aus den 3D-Teilansichten berechnen können (sogenannte Registrierungs-Algorithmen). Weil ebendies technisch möglich ist, sind auch Ausführungsformen ohne Drehteller möglich, bei denen das Objekt in nicht genau bekannter Weise manuell verdreht und verschoben wird. Ferner ist eine Kombination von definierten Drehtellerschritten und Verdrehungen per Hand möglich, um das Objekt von allen Seiten erfassen zu können. Bei der Kombination brauchen die Registrierungsalgorithmen nur für die Bewegungen verwendet werden, bei denen Drehungen per Hand durchgeführt wurden. Die restlichen Transformationen werden auf Grund der bekannten Drehtellerstellungen berechnet.The approached positions of the turntable or the positioning unit should preferably be known for later evaluation. If they are not known, algorithms can be used which can calculate transformations from the 3D partial views (so-called registration algorithms). Because this is technically possible, embodiments without turntables are possible in which the object is rotated and moved manually in not exactly known manner. Furthermore, a combination of defined turntable steps and twists by hand is possible to capture the object from all sides. In combination, the registration algorithms only need to be used for the movements where twists were done by hand. The remaining transformations are calculated on the basis of the known turntable positions.

Im Gehäuse werden Mehrfachstreuungen an den Wänden stattfinden, so dass sich eine annähernd homogene Beleuchtung gleichmäßig für alle Richtungen einstellt und somit auch der Drehteller eine näherungsweise gleiche Helligkeit erhält und selbst gleichmäßig hell erscheint.In the housing will be multiple scattering on the walls, so that sets an approximately homogeneous illumination evenly for all directions and thus also the turntable receives an approximately equal brightness and even appears uniformly bright.

Eine wirtschaftliche Lösung zur Realisierung der Beleuchtung des Gehäuses ist in 3 skizziert:
Die Wände des Gehäuses 5 sind weiß, streuend aber nicht transparent.
An economical solution for the realization of the lighting of the housing is in 3 outlined:
The walls of the housing 5 are white, scattering but not transparent.

Als Bildfeldhintergrund 10 wird derjenige Ausschnitt auf der in 3 rechten Wand des Gehäuses bezeichnet, welcher dem Bildfeld der Fotokamera entspricht.As frame background 10 will that cutout on the in 3 called the right wall of the housing, which corresponds to the field of view of the camera.

Um diesen Bildfeldhintergrund 10 herum befindet sich ein umlaufender Spalt 14, durch den das Licht einer Blitzlampe 11 eintreten kann, welches an einer geeigneten Streufläche, vorzugsweise mit Hilfe einer als Fotografiezubehör erhältlichen ”Softbox” 12, gestreut wird. Weil der Spalt knapp außerhalb des Bildfeldes liegt, muss das Licht einige Streuprozesse erleiden, bis es ins Bildfeld gelangen kann. Dieser Vorgang homogenisiert die Beleuchtung. Zusätzliche Abschottungen 9 sind notwendig um eine direkte Reflexion des aus dem umlaufenden Spalt kommenden hellen Lichts am Messobjekt verhindern.Around this picture field background 10 around there is a circumferential gap 14 through which the light of a flashlamp 11 which may occur at a suitable scattering surface, preferably with the aid of a "softbox" available as a photography accessory. 12 , is scattered. Because the gap is just outside the field of view, the light must undergo some scattering processes until it can enter the field of view. This process homogenizes the lighting. Additional foreclosures 9 are necessary to prevent a direct reflection of coming from the circumferential gap bright light on the measured object.

Die Messung mit dem Sensor kann vorteilhaft aus von oben in abwärts geneigter Richtung 15 erfolgen, weil dann in Kombination mit der Drehung des Drehtellers eine Messung des Objektes von oben und von den Seiten erfolgen kann.The measurement with the sensor can advantageously from the top in the downward direction 15 take place, because then in combination with the rotation of the turntable, a measurement of the object can be made from above and from the sides.

Um auch von unten messen zu können kann ein zweiter Sensor eingesetzt werden, welcher von unten in Aufwärtsrichtung misst. Alternativ dazu kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nach 4 ein Spiegel das Bildfeld der Aufnahmeeinheit teilen und infolge der Spiegelung die Aufnahmeeinheit virtuell mit einem Teil ihres Bildfeldes aus von oben abwärts geneigter Richtung 15 und mit dem anderen Teil aus mit von unten aufwärts geneigter Richtung 16 messen.In order to be able to measure from below, a second sensor can be used, which measures from below in upward direction. Alternatively, in a further embodiment of the invention according to 4 a mirror sharing the image field of the recording unit and as a result of the mirroring the recording unit virtually with a part of its image field from the top downwards inclined direction 15 and with the other part out with the direction inclined from the bottom upwards 16 measure up.

Wenn die Homogenisierung der Beleuchtung nicht vollständig gelingt, und weiter Sprünge der Textur beim Zusammensetzen der Aufnahmen auftreten, so kann man Algorithmen anwenden, die näherungsweise eine Objektfunktion annehmen und mit der Kenntnis der Objektnormalen aus den 3D-Messungen die Textur korrigieren. Eine noch einfachere Lösung ist das Verschmieren der Sprünge über Tiefpassfilter.If the homogenization of the illumination is not completely successful, and further cracks in the texture occur during the composition of the images, algorithms can be used which approximate an object function and correct the texture with the knowledge of the object normals from the 3D measurements. An even simpler solution is smearing the jumps over low-pass filters.

Das Problem, dass infolge von Fehlern in der 3D-Messung oder der Kamerakalibration 3D-Bild-Sprünge an den Übergangsstellen zwischen den Projektionen der verschiedenen Fotos auftreten, kann dadurch gelöst werden, dass die Aufnahme der Fotos in kleineren Winkelschritten mit entsprechend mehr Fotos durchgeführt wird, denn die Fehlerfortpflanzung von 3D-Messfehlern und Fehlern in der Kamerakalibration ist umso kleiner, je geringer der relative Drehwinkel zwischen den beiden Aufnahmen ist. Im Allgemeinen ist es nicht notwendig, auch die Zahl der 3D-Messungen entsprechend zu erhöhen, sofern die Zahl der Messungen für die 3D-Rundum-Vermessung ausreichend ist. Mit folgendem Verfahren wird eine Präparation des Objektes möglich: Zunächst wird nur eine Serie von Fotoaufnahmen bei bestimmten Winkelstellungen des Drehtellers gemacht.The problem that due to errors in the 3D measurement or the camera calibration 3D image jumps occur at the transition points between the projections of the various photos can be resolved by taking the photos in smaller angular steps with correspondingly more photos because the error propagation of 3D measurement errors and errors in the camera calibration is smaller, the smaller the relative rotation angle between the two shots. In general, it is not necessary to increase the number of 3D measurements accordingly, as long as the number of measurements for 3D all-round surveying is sufficient. With the following procedure, a preparation of the object is possible: First, only a series of photos taken at certain angular positions of the turntable.

Dann wird eine Wand des Gehäuses geöffnet und das Objekt mit Präparationsmittel besprüht. Während des Besprühens wird der Drehteller gedreht und damit das Objekt von allen Seiten präpariert. Das Objekt darf weder vom Drehteller genommen noch in einer anderen Weise auf dem Drehteller bewegt werden. Danach erfolgt eine Serie von 3D-Messungen in Drehtellerstellungen, die eine bekannte Lage zu den Drehtellerstellungen der Fotoserie haben. Vorzugsweise werden die gleichen Drehtellerstellungen wie bei der Fotoserie verwendet. Then a wall of the housing is opened and the object is sprayed with spin finish. During spraying, the turntable is turned and thus the object is prepared from all sides. The object may neither be taken off the turntable nor moved in any other way on the turntable. This is followed by a series of 3D measurements in turntable positions, which have a known position to the turntable positions of the photo series. Preferably, the same turntable positions are used as in the photo series.

Als letzte Verfahrensschritte werden die 3D-Daten ausgewertet und das 3D-Objekt berechnet, dann werden die Fototexturen aufprojiziert.As final procedural steps, the 3D data are evaluated and the 3D object is calculated, then the photo textures are projected onto.

Eine Präparation ist bei vielen Objekten notwendig, insbesondere bei durchscheinenden, spiegelnden und schwarzen Objekten. Selbst wenn das Objekt dreidimensional messbar ist, verbessert Präparieren die Genauigkeit der Messergebnisse.A preparation is necessary for many objects, especially for translucent, specular and black objects. Even if the object can be measured three-dimensionally, dissection improves the accuracy of the measurement results.

Damit die Präparation oder Verdrehung des Messobjektes per Hand erfolgen kann, kann zum manuellen Eingriff in der Wand des Gehäuses eine Türe vorgesehen werden.Thus, the preparation or rotation of the measurement object can be done by hand, a door can be provided for manual intervention in the wall of the housing.

Mit der folgenden Ausführungsform der Erfindung können transparente Objekte visualisiert werden. Als Beispiel zur Erläuterung in dieser Beschreibung soll eine leere, in Aufsicht runde Flasche aus teiltransparent-blauem Material dienen. Die Hintergrundfarbe für die beabsichtigte Visualisierung muss bekannt sein: z. B. soll die Flasche in einer 3D-Animation vor einem grünen Hintergrund dargestellt werden.With the following embodiment of the invention, transparent objects can be visualized. As an example for explanation in this description is intended to serve an empty, round in plan bottle of partially transparent-blue material. The background color for the intended visualization must be known: For example, the bottle should be displayed in a 3D animation against a green background.

Zur Messung muss die notwendige Hardware nach 2 erweitert werden. Der Bildfeldhintergrund 10 wird durch eine Platte genau jener Farbe ersetzt, in der später die Visualisierung geplant ist.To measure must the necessary hardware after 2 be extended. The picture frame background 10 is replaced by a plate of exactly the color in which the visualization is planned later.

Wenn nun die Messung nach dem beschriebenen Verfahren abläuft, scheint in transparenten Objektbereichen der Hintergrund durch und wird mit auf die Textur gemappt, so als habe die Oberfläche teilweise die Farbe des Hintergrundes. Wenn die 3D-Visualisierung später vor derselben Farbe stattfindet, wirkt die Darstellung echt, auch wenn man das Objekt virtuell dreht.Now, if the measurement proceeds according to the described method, the background shines through in transparent object areas and is also mapped to the texture, as if the surface partly had the color of the background. If the 3D visualization takes place later in front of the same color, the display looks real, even if you turn the object virtually.

Mit der folgenden anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Transparenz teiltransparenter Objekte näherungsweise gemessen und dargestellt werden.With the following other embodiment of the invention, the transparency of partially transparent objects can be approximately measured and displayed.

Zur Darstellung einer transparente Oberflächen wird häufig das R, G, B, α-Modell eingesetzt, wobei R, G, B, die rot-, grün- oder blau-Farbwerte sind und α ein Absorptionswert. Nach dem Modell bedeutet α = 0 einen vollständig transparenten Punkt und α = 1 einen vollständig opaken Punkt.To represent a transparent surface, the R, G, B, α model is often used, where R, G, B are the red, green or blue color values and α is an absorption value. According to the model, α = 0 means a completely transparent point and α = 1 a completely opaque point.

Die Näherung wird so durchgeführt, als das Objekt aus einer teiltransparenten Schale bestehe, die durch teiltransparente Dreiecksnetze dargestellt wird. Das Innere der Schale ist im Rechenmodell leer.The approximation is made as the object consists of a partially transparent shell represented by partially transparent triangular meshes. The interior of the shell is empty in the calculation model.

Als Beispiel zur Erläuterung in dieser Beschreibung soll ebenfalls eine leere, in Aufsicht runde Flasche aus teiltransparent-blauem Material dienen. Die Hintergrundfarbe für die beabsichtigte Visualisierung braucht nicht bekannt zu sein Zur Messung muss ebenfalls die notwendige Hardware nach 2 erweitert werden: In den Bildfeldhintergrund soll nacheinander eine schwarze und eine weiße Platte eingebracht werden. Mit jeder Platte wird eine Serie von Fotos aufgenommen.As an example for explanation in this description should also serve an empty, round in supervision round bottle of partially transparent-blue material. The background color for the intended visualization does not need to be known. The necessary hardware must also be available for the measurement 2 To be extended: A black and a white plate should be inserted one after the other into the frame background. Each plate records a series of photos.

An den Stellen, wo die Aufnahmen mit weißer Hintergrundplatte heller erscheinen, war das Objekt nicht vollständig opak, sondern teiltransparent.In places where the images with white background plate appear lighter, the object was not completely opaque, but partially transparent.

Die beobachtete Absorption des Objektes ergibt sich aus dem örtlichen Quotienten β der Helligkeit der Bildpunkte der Aufnahme mit weißen Hintergrund und der Aufnahme mit schwarzem Hintergrund.The observed absorption of the object results from the local quotient β of the brightness of the pixels of the image with a white background and the image with a black background.

Diese Absorption wird danach auf die Dreiecke gemappt, und zwar mit je halber Wirkung auf die in Projektionsrichtung befindliche Objektvorderseite und Objektrückseite, da der entsprechende Lichtstrahl beide Flächen passiert hat.This absorption is then mapped onto the triangles, each with half effect on the projecting direction located in front of the object and the object back, since the corresponding light beam has passed both surfaces.

Entsprechende wird dem α-Wert der Objektvorderseite und der Objektrückseite die Wurzel aus β zugewiesen, so dass die Absorbtion α visualisiert wird, wenn bei der Visualisierung ein virtueller Lichtstrahl beide Oberflächen passiert.Correspondingly, the root of β is assigned to the α value of the object front side and the object back side, so that the absorption α is visualized when a virtual light beam passes through both surfaces in the visualization.

Die RGB-Objekttextur ergibt sich auf den Aufnahmen mit der schwarzen Platte im Hintergrund. Diese ist jedoch wegen des Durchscheinens des schwarzen Hintergrundes um den Faktor β zu dunkel. Somit müssen die mit schwarzer Platte gemessenen RGB-Werte durch β dividiert werden um die eigentliche Objekttextur zu erhalten.The RGB object texture appears on the recordings with the black plate in the background. However, this is too dark due to the black background shining through the factor β. Thus, the RGB values measured with a black plate must be divided by β to obtain the actual object texture.

Die beiden vorher dargestellten Ausführungsformen werden Schwächen in der Visualisierung aufweisen, wenn das Objekt in seinem Inneren nicht leer ist. Die Schwierigkeiten werden verstärkt, wenn das Objekt zudem nicht rotationssymmetrisch ist. Als Beispiel soll eine in Aufsicht rechteckige Flasche dienen, die mit durchscheinend-blauer Flüssigkeit gefüllt ist. Eine Aufnahme ein einer Objektorientierung, in der das Objekt die längste für die Lichtstrahlen zu durchlaufende Strecke hat, wird stärkere Absorption aufweisen (im Beispiel: in tieferem Blau erschienen) als eine Aufnahme mit einer kürzeren Strecke für die Lichtstrahlen. Beim Zusammensetzen sind an den Übergangsstellen zwischen den Projektionen der verschiedenen Fotos Sprünge in der Tiefe der Färbung aufgrund verschieden langer Absorptionsstrecken zu erwarten.The two previously illustrated embodiments will have weaknesses in the visualization when the object is not empty inside. The difficulties are compounded when the object is not rotationally symmetric. As an example, serve a rectangular in plan rectangular bottle filled with translucent-blue liquid. A shot of an object orientation in which the object has the longest distance to travel for the light rays will have stronger absorption (in the example: appeared in deeper blue) than a shot with a shorter distance for the light rays. When assembling, cracks in the depth of the dyeing due to absorption distances of different lengths are to be expected at the transition points between the projections of the different photos.

Das Problem wird durch die Verkleinerung der Winkelschritte des Drehtellers bei gleichzeitiger Erhöhung der Anzahl der Aufnahmen gelöst, denn je kleiner der Winkelschritt, desto geringer ist der Unterschied in den beschriebenen Weglängen. Damit werden die beschriebenen Sprünge in den Helligkeiten kleiner. Zur Durchführung des Verfahrens sind erfahrungsgemäß Winkelschritte von 15° oder weniger notwendig. Somit sind mindestens 24 Fotografien bei einer Umdrehung des Drehtellers notwendig.The problem is solved by reducing the angular steps of the turntable while increasing the number of shots, because the smaller the angle step, the smaller the difference in the path lengths described. Thus, the jumps described in the brightnesses are smaller. For carrying out the method, experience has shown that angle steps of 15 ° or less are necessary. Thus, at least 24 photographs are necessary in one turn of the turntable.

Die drei vorher dargestellten Ausführungsformen werden Schwächen in der Visualisierung aufweisen, wenn das Objekt nicht nur teiltransparent ist, sondern in seinem Inneren auch noch das Licht streut. Als Beispiel soll eine in Aufsicht rechteckige Flasche dienen, die mit einer leicht streuenden trüben Flüssigkeit gefüllt ist. Die Hintergrundfarbe für die Visualisierung sei grün.The three previously illustrated embodiments will have weaknesses in visualization when the object is not only partially transparent but also scatters the light in its interior. As an example, serve a rectangular in plan rectangular bottle, which is filled with a slightly scattering cloudy liquid. The background color for the visualization is green.

Eine Aufnahme in einer Objektorientierung, in der das Objekt die längste für die Lichtstrahlen zu durchlaufende Strecke hat, wird stärkere Streuung aufweisen (im Beispiel: weiß-grün mit hohen Weißanteil erscheinen) als eine Aufnahme mit einer längeren Strecke für die Lichtstrahlen (dort wäre weiß-grün mit hohem Grünanteil zu erwarten). Beim Zusammensetzen sind an den Übergangsstellen zwischen den Projektionen der verschiedenen Fotos Sprünge in der Tiefe der Färbung aufgrund verschieden langer Absorptionsstrecken zu erwarten.An image in an object orientation in which the object has the longest distance to be traversed by the light rays will have greater scattering (in the example: white-green with high white content appear) than a photograph with a longer distance for the light rays (there would be white green with high green content to be expected). When assembling, cracks in the depth of the dyeing due to absorption distances of different lengths are to be expected at the transition points between the projections of the different photos.

Das Problem wird durch die Verwendung eines weißen Hintergrundes bei der Datenaufnahme und eines weißen Hintergrundes bei der Visualisierung gelöst, denn die beobachtete (mehr oder weniger starke) Weißfärbung rührt von der weißen Gehäusefarbe außerhalb des Bildfeldes der Kamera her. Durch diese Maßnahme werden die beiden Farb-Komponenten, die sich in verschiedenem Verhältnis mischen, gleichfarbig.The problem is solved by using a white background in the data acquisition and a white background in the visualization, because the observed (more or less strong) whitening stems from the white housing color outside the field of view of the camera. By this measure, the two color components that mix in different proportions, the same color.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

Verzeichnis der in den Abbildungen verwendeten Begriffe

1
Foto des Messobjekts
2
Dreiecksnetz
3
Aufnahmeeinheit
4
Messobjekt
5
weißes Gehäuse
6
Durchführungen zur Aufnahmeeinheit
7
Drehteller
8
Beleuchtung
9
Abschottung
10
Bildfeldhintergrund
11
Blitzgerät
12
Softbox
13
Spiegel
14
umlaufender Spalt
15
Beobachtungsrichtung von oben abwärts geneigt
16
Beobachtungsrichtung von unten aufwärts geneigt
List of terms used in the figures
1
Photo of the measurement object
2
triangle mesh
3
recording unit
4
measurement object
5
white case
6
Feedthroughs to the receiving unit
7
turntable
8th
lighting
9
isolation
10
Field background
11
Speedlight
12
softbox
13
mirror
14
circumferential gap
15
Observation direction inclined from above downwards
16
Observation direction inclined from the bottom upwards

Claims (6)

Verfahren zur Form- und Texturerfassung eines Objektes, bei welchem ein 3D-Sensor und eine digitale Kamera zur Aufzeichnung digitaler Fotos verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass – das Objekt (4) von einem Gehäuse (5) umgeben wird, welches – das Objekt (4) mit einem Großteil des vollständigen Raumwinkels (4π) umschließt; – dessen Innenseite oder Außenseite direkt oder indirekt mit einer oder mehreren Lichtquellen beleuchtet wird (8), so dass die Innenseite selbst so leuchtet, dass Licht aus allen Raumrichtungen gleich hell auf das Objekt (4) trifft; – die so leuchtende Innenseite als Lichtquelle für eine Fotoaufnahme mit der digitalen Kamera dient; – das Objekt (4) im Inneren des Gehäuses mit Hilfe einer Positioniereinheit oder manuell in verschiedene Positionen gebracht wird; – eine Sequenz von Fotoaufnahmen in verschiedenen Positionen des Objekts erfolgt, welche eine Texturmessung von verschiedenen Seiten ermöglicht; – eine Sequenz von 3D-Aufnahmen in den verschiedenen Positionen des Objekts erfolgt, welche eine 3D-Messung von verschiedenen Seiten ermöglicht; und – die Fotos aus der digitalen Fotokamera mathematisch auf die 3D-Daten des Objekts (4) projiziert werden.Method for shape and texture detection of an object, in which a 3D sensor and a digital camera are used for recording digital photos, characterized in that - the object ( 4 ) of a housing ( 5 ), which - the object ( 4 ) encloses a large part of the complete solid angle (4π); - whose inside or outside is illuminated directly or indirectly by one or more light sources ( 8th ), so that the inner side itself shines so that light from all directions is equally bright on the object ( 4 ) meets; - The so bright inside serves as a light source for taking a photo with the digital camera; - the object ( 4 ) is brought inside the housing by means of a positioning unit or manually in different positions; A sequence of photographs is taken in different positions of the object, which allows texture measurement from different sides; A sequence of 3D images is taken in the different positions of the object, which enables a 3D measurement from different sides; and - the photos from the digital camera mathematically on the 3D data of the object ( 4 ) are projected. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Objekt zumindest teilweise transparent ist, die leuchtende Innenseite des Gehäuses (5) weiß ist, und wobei – in einem Verfahrensschritt unmittelbar nach der Aufzeichnung der Fotoaufnahmen im Bildfeld der Fotokamera hinter dem Messobjekt ein schwarzer Fotohintergrund eingebracht wird, und – in einem weiteren Verfahrensschritt zusätzliche Fotoaufnahmen mit dem schwarzen Fotohintergrund in dem Bildfeld der Kamera erfolgen, die jenem mit der weißen Innenseite als Hintergrund entsprechen, wobei – eine Absorption im Objektpunkt aus der Wurzel aus dem lokalen Quotienten (β) der Helligkeit der Bildpunkte mit schwarzen und weißen Hintergrund berechnet wird, und – ein Objektfarbwert aus dem Objektfarbwert der Bildpunkte mit schwarzem Hintergrund dividiert durch den lokalen Quotienten (β) berechnet wird.The method of claim 1, wherein the object is at least partially transparent, the luminous inside of the housing ( 5 ) is white, and wherein - in a process step immediately after recording the photographs in the image field of the camera behind the measurement object, a black photo background is introduced, and - take in a further process step additional photos with the black photo background in the image field of the camera, the that corresponding to the white inside as a background, wherein - an absorption in the object point from the root is calculated from the local quotient (β) of the brightness of the black and white background pixels, and An object color value is calculated from the object color value of the pixels with black background divided by the local quotient (β). Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einem weiteren Verfahrensschritt nach der Aufzeichnung der Fotoaufnahmen und vor der Aufzeichnung der 3D-Aufnahmen eine Präparation des Messobjektes erfolgt.A method according to claim 1, wherein in a further method step after the recording of the photographs and before the recording of the 3D images, a preparation of the measurement object takes place. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Sequenz von Fotoaufnahmen mindestens 24 Bilder umfasst.The method of claim 1, 2 or 3, wherein the sequence of photographs comprises at least 24 images. Vorrichtung zur Form- und Texturerfassung eines Objektes, mit einem 3D-Sensor und einer digitalen Kamera und einem Gehäuse, wobei – das Objekt von dem Gehäuse umgeben ist, welches – das Objekt mit einen Großteil des vollständigen Raumwinkels (4π) umschließt und – dessen Innenseite oder Außenseite direkt oder indirekt mit zumindest einer Lichtquelle beleuchtet wird, so dass die Innenseite selbst derart zum Leuchten bringbar ist, dass Licht aus allen Raumrichtungen gleich hell auf das Objekt trifft, und – die leuchtende Innenseite als Lichtquelle für eine Fotoaufnahme mit der digitalen Kamera dient; – und mit – einer Positioniereinheit, mit Hilfe derer das Objekt im Inneren des Gehäuses in verschiedene Positionen gebracht werden kann; – einer Ansteuerelektronik und einer Rechen- und Auswerteeinheit, welche eine Sequenz von Fotoaufnahmen und 3D-Aufnahmen in verschiedenen Positionen des Objekts ansteuern kann und auf diese Weise eine Messung von verschiedenen Seiten ermöglicht.An apparatus for shape and texture detection of an object, comprising a 3D sensor and a digital camera and a housing, wherein - The object is surrounded by the housing, which - The object with a large part of the solid solid angle (4π) encloses and - The inside or outside is illuminated directly or indirectly with at least one light source, so that the inside itself can be brought to shine in such a way that light from all directions meets equally bright on the object, and - The luminous inside serves as a light source for taking a photo with the digital camera; - and with A positioning unit, by means of which the object can be brought into different positions inside the housing; - A control electronics and a computing and evaluation, which can control a sequence of photos and 3D shots in different positions of the object and in this way allows a measurement of different sides. Vorrichtung zur Form- und Texturerfassung eines Objektes, bestehend aus einem 3D-Sensor und einer digitale Kamera, wobei – das Objekt von einem Gehäuse umgeben ist, welches – das Objekt mit einen Großteil des vollständigen Raumwinkels (4π) umschließt und dessen Innenseite oder Außenseite direkt oder indirekt mit zumindest einer Lichtquelle so beleuchtbar ist, dass die Innenseite selbst so leuchtet, dass Licht aus allen Raumrichtungen gleich hell auf das Objekt trifft, wobei oder wodurch – die leuchtende Innenseite als Lichtquelle für eine Fotoaufnahme mit der digitalen Kamera fähig ist; – und mit – einer Türe im Gehäuse, durch welche im geöffneten Zustand ein Bediener das Messobjekt manuell in verschiedene Positionen bringen kann; – einer Ansteuerelektronik und einer Rechen- und Auswerteeinheit, welche eine Sequenz von Fotoaufnahmen und 3D-Aufnahmen in verschiedenen Positionen des Objekts ansteuern kann und auf diese Weise eine Messung von verschiedenen Seiten ermöglicht.Device for shape and texture detection of an object, consisting of a 3D sensor and a digital camera, wherein - The object is surrounded by a housing, which - The object with a large part of the solid solid angle (4π) encloses and the inside or outside directly or indirectly with at least one light source is illuminated so that the inside lights itself so that light from all directions equally brightly hits the object, or whereby - The luminous inside is capable as a light source for a photo recording with the digital camera; - and with A door in the housing through which, in the opened state, an operator can manually move the measurement object to different positions; - A control electronics and a computing and evaluation, which can control a sequence of photos and 3D shots in different positions of the object and in this way allows a measurement of different sides.
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