DE102015205187A1

DE102015205187A1 - Method and device for the projection of line pattern sequences

Info

Publication number: DE102015205187A1
Application number: DE102015205187.0A
Authority: DE
Inventors: Patrick Wissmann
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Infinisense Technologies De GmbH
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2015-03-23
Publication date: 2016-09-29
Also published as: WO2016150527A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Rekonstruktion einer Oberfläche eines Objektes (0) mittels einer strukturierten Beleuchtung, insbesondere mit Laserlicht, mittels folgender Schritte: – mittels mindestens einer Projektoreinrichtung (1) ausgeführtes Projizieren eines Messelemente aufweisenden Gesamtmessmusters auf die Oberfläche des Objekts; – mittels mindestens einer Erfassungseinrichtung (3) ausgeführtes Erfassen des Gesamtmessmusters auf der Oberfläche des Objekts; – mittels einer Rechnereinrichtung (5) ausgeführtes Berechnen, insbesondere Triangulieren, zur Rekonstruktion der Oberfläche des Objekts aus einer jeweiligen Verzerrung des Gesamtmessmusters. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Gesamtmessmuster (GM) als Messelemente eine Reihenfolge von Messlinien (L) aufweist; in dem Gesamtmessmuster (GM) alle möglichen Positionen von Messlinien (L) in sich entlang der Reihenfolge räumlich wiederholenden als Fenster (F) bezeichneten Abschnitten enthalten sind, wobei in den Fenstern (F) eine jeweilige Kombination von erzeugten und/oder nicht erzeugten Messlinien (L) im Gesamtmessmuster (GM) den jeweiligen Ort im Gesamtmessmuster (GM) kodiert.The invention relates to a device and a method for reconstructing a surface of an object (0) by means of structured illumination, in particular with laser light, by means of the following steps: projecting an overall measuring pattern having measuring elements by means of at least one projector device (1) onto the surface of the object; - Detected by at least one detection means (3) detecting the total measurement pattern on the surface of the object; - Calculation performed by means of a computer device (5), in particular triangulation, for reconstructing the surface of the object from a respective distortion of the overall measurement pattern. The invention is characterized in that the overall measurement pattern (GM) has as a measuring elements a sequence of measurement lines (L); in the overall measurement pattern (GM) all possible positions of measurement lines (L) are contained along the sequence of spatially repeating sections designated as windows (F), wherein in the windows (F) a respective combination of generated and / or non-generated measurement lines ( L) encodes the respective location in the overall measurement pattern (GM) in the overall measurement pattern (GM).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Rekonstruktion einer dreidimensionalen Oberfläche eines Objektes mittels einer strukturierten Beleuchtung zur Projektion von Messmustern auf das Objekt. The present invention relates to an apparatus and a method for reconstructing a three-dimensional surface of an object by means of a structured illumination for the projection of measurement patterns on the object.

In der optischen Messtechnik ist das Verfahren einer sogenannten strukturierten Beleuchtung weit verbreitet. Bei diesem Verfahren werden ein oder mehrere Messmuster auf ein Objekt projiziert und aus einem anderen Winkel von einer Kamera aufgenommen. Aus der Verzerrung des Musters kann die dreidimensionale Oberfläche des Objekts mittels einer Vielzahl von Messpunkten rekonstruiert werden. In optical metrology, the method of so-called structured illumination is widely used. In this method, one or more measurement patterns are projected onto an object and taken from a different angle by a camera. From the distortion of the pattern, the three-dimensional surface of the object can be reconstructed by means of a plurality of measuring points.

Beim messtechnischen Verfahren nach dem Prinzip der strukturierten Beleuchtung werden ein oder mehrere Muster, die ebenso als Messmuster bezeichnet werden können. Auf ein Objekt projiziert und aus einem unterschiedlichen Sichtwinkel von einer Kamera aufgenommen. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen minimalen Konfiguration, bestehend aus einer Kamera als eine Erfassungseinrichtung 3 und einem Projektor als eine Projektoreinrichtung 1. 1 zeigt eine herkömmliche minimale Konfiguration zur dreidimensionalen Messung mittels strukturierter Beleuchtung, bestehend aus einer Kamera und einem Projektor, die in einem Abstand einer Basis B voneinander beabstandet sind. The metrological method according to the principle of structured illumination, one or more patterns, which can also be referred to as a measurement pattern. Projected onto an object and taken from a different angle of view by a camera. 1 shows an embodiment of a conventional minimum configuration consisting of a camera as a detection device 3 and a projector as a projector device 1 , 1 shows a conventional minimal configuration for three-dimensional measurement by means of structured illumination, consisting of a camera and a projector, which are spaced apart at a distance of a base B.

Der Projektor projiziert ein Linienmuster, das zur vereinfachten Darstellung lediglich aus zwei Linien besteht, wobei in der Praxis wirksam mehr Linien verwendet werden. Die Linie beziehungsweise Lichtebene e1 wird von einem Musterprojektor als Projektionseinrichtung 1 projiziert und erscheint als Bild einer Erfassungseinrichtung 3, insbesondere einer Kamera, als Linie e1‘. Ein Sensorelement der Kamera erfasst einen Punkt p1‘ der Linie e1‘. Aus der Position von p1‘ im Kamerabild kann eine Sichtlinie s1 abgeleitet werden. Durch geometrische Berechnung des Schnittpunktes aus Ebene e1 und Sichtstrahl s1 kann die dreidimensionale Position des Punktes p1 auf der Oberfläche des Messobjekts bestimmt werden, sodass ein Messpunkt gegeben ist. Entsprechend ist dabei die korrekte Zuordnung von Projektionsebene und Sichtlinie, beispielsweise würde eine irrtümliche Zuordnung von p1‘ (beziehungsweise s1) zur projizierten Linie e2 ein falsches Messergebnis erzeugen. 1 zeigt eine minimale Konfiguration zur 3D-Messung mittels strukturierter Beleuchtung, und zwar mittels eines minimalen Linienmusters. Die Konfiguration besteht dabei aus einer Kamera und einem Projektor. In 1 ist ein zu vermessendes Messobjekt 0 mit entsprechend codiertem Linienmuster und kameraseitig ein Koordinatensystem dargestellt. B bezeichnet eine Basis, die für Triangulationsberechnungen verwendbar ist. The projector projects a line pattern consisting of two lines for ease of illustration, effectively using more lines in practice. The line or light plane e1 is used by a pattern projector as a projection device 1 projects and appears as an image of a capture device 3 , in particular a camera, as line e1 '. A sensor element of the camera detects a point p1 'of the line e1'. From the position of p1 'in the camera image, a line of sight s1 can be derived. By geometric calculation of the intersection of plane e1 and sight ray s1, the three-dimensional position of the point p1 on the surface of the measurement object can be determined so that a measurement point is given. Correspondingly, the correct assignment of projection plane and line of sight, for example, an erroneous assignment of p1 '(or s1) to the projected line e2 would produce a false measurement result. 1 shows a minimal configuration for 3D measurement by means of structured illumination, by means of a minimal line pattern. The configuration consists of a camera and a projector. In 1 is a measuring object to be measured 0 represented with a corresponding coded line pattern and the camera side, a coordinate system. B denotes a base usable for triangulation calculations.

Es existieren zahlreiche herkömmliche Verfahren zur Projektion von Messmustern sowie zahlreiche Gestaltungsvarianten der Messmuster als Messlinien. There are numerous conventional methods for the projection of measurement patterns as well as numerous design variants of the measurement patterns as measurement lines.

Aufgrund der in der Praxis großen Anzahl, und zwar oft > 100, optisch gleichartiger Linienprojektionen sind Methoden zur Identifikation der korrekten Linienprojektion erforderlich. Hierzu finden sich im Stand der Technik verschiedene Ansätze zur Codierung des Linienindex beziehungsweise der Identifikation der korrekten Linie unter der Vielzahl von Linien im Projektionsmuster. Es werden Ansätze angeführt, die auf Basis optischer Merkmale eine direkte Zuordnung einer Linie oder eines Bündels benachbarter Linien ermöglichen. Ansätze, die zur eindeutigen Unterscheidung einzelner Linien ausgelegt sind, beispielsweise über einen eindeutigen Zusammenhang von Linienfarbe oder Lichtwellenlänge und Linienindex, sind in der Praxis praktisch nicht vertreten, da eine robuste Zuordnung unter typischen Messbedingungen, die insbesondere durch das Signal-Rausch-Verhältnis beeinträchtigt sind, lediglich mit vergleichsweise wenigen Linien möglich ist. Es ist jedoch in der Regel das Ziel, eine hohe Messdatendichte zu erreichen, das heißt mit der gegebenen Kameraauflösung möglichst viele Datenpunkte aus einer Messung zu gewinnen. Hierfür muss die Anzahl der decodierbaren Linien maximiert werden. Deutlich verbreiteter sind in der Praxis deshalb Ansätze, die zur eindeutigen Zuordnung benachbarter Linienbündel ausgelegt sind. Hier kann typischerweise die maximale Anzahl an Linien projiziert und ausgewertet werden, die aufgrund des Auflösungsvermögens der Kamera unabhängig detektierbar sind. Beispiele für linienbündelbasierte Verfahren sind in [1], [2], [3] und [4] beschrieben. Die Identifikation der Linienbündel geschieht dort meist mittels verschiedener Kombinationen aus Linienfarben innerhalb solcher Bündel. In der Praxis versucht man, die minimale Anzahl der Linien zur Eindeutigkeit eines Bündels zu minimieren. Je kleiner diese Anzahl, desto kleinere Objekte können unabhängig von ihrer Umgebung im Raum aufgelöst werden. Due to the large number in practice, and often> 100, optically similar line projections methods for identifying the correct line projection are required. For this purpose, various approaches for coding the line index or the identification of the correct line among the plurality of lines in the projection pattern can be found in the prior art. Approaches are cited that allow a direct assignment of a line or a bundle of adjacent lines based on optical characteristics. Approaches which are designed to unambiguously distinguish individual lines, for example via a clear relationship between line color or wavelength and line index, are virtually unrepresented in practice, since a robust assignment under typical measurement conditions, which are impaired in particular by the signal-to-noise ratio , is possible only with comparatively few lines. However, it is usually the goal to achieve a high data density, that is to win as many data points from a measurement with the given camera resolution. For this, the number of decodable lines must be maximized. In practice, therefore, approaches that are designed to unambiguously assign adjacent line bundles are significantly more widespread. Here, typically, the maximum number of lines can be projected and evaluated, which are independently detectable due to the resolution of the camera. Examples of line bundle-based methods are described in [1], [2], [3] and [4]. The identification of the line bundles happens there mostly by means of different combinations of line colors within such bundles. In practice, one tries to minimize the minimum number of lines for uniqueness of a bundle. The smaller this number, the smaller objects can be resolved independently of their environment in space.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Unterklasse von Verfahren, bei denen die Muster mittels Lichtbeugung, das heißt diffraktiv, projiziert werden. Diese Methoden sind besonderes lichteffizient. More particularly, the invention relates to a subclass of methods in which the patterns are projected by means of light diffraction, that is, diffractive. These methods are particularly light efficient.

Im Gegensatz zu abbildenden, und zwar refraktiv projizierenden Verfahren wird zur Erzeugung der Muster nahezu kein Licht absorbiert. Hierdurch kann in der Praxis die zur Ausleuchtung einer Messfläche erforderliche Lichtleistung um bis zu mehrere Größenordnungen reduziert werden. Dies geht jedoch einher mit Einschränkungen bei der Ausgestaltung der Messmuster. Für eine lichteffiziente und hochauflösende diffraktive Projektion ist die Verwendung kohärenten, quasi monochromatischen Lichts erforderlich, und zwar in der Regel Laserlicht. Aufgrund dieser Beschränkung entfällt eine Verwendung unterschiedlicher Linienfarben zur Identifikation eines Streifenbündels bei Verwendung einer einzelnen Lichtquelle. Das monochromatische Licht hat jedoch zugleich den Vorteil, dass bei Verwendung kameraseitiger Bandpassfilter ein großer Teil des Umgebungslichts eliminiert werden kann, was den Dynamikumfang und die Robustheit des Messsystems erhöht. In contrast to imaging, namely refractively projecting processes, almost no light is absorbed to produce the patterns. As a result, in practice, the light output required for illuminating a measuring surface can be reduced by up to several orders of magnitude. However, this is accompanied by limitations in the design of the measurement pattern. For a light-efficient and high-resolution diffractive projection, the use of coherent, quasi-monochromatic light is required, and as a rule laser light. Due to this limitation, use of different line colors to identify a strip bundle when using a single light source is eliminated. However, the monochromatic light also has the advantage that when using the camera side band-pass filter, a large part of the ambient light can be eliminated, which increases the dynamic range and the robustness of the measuring system.

In der Regel werden bei der diffraktiven Projektion zahlreiche Punkte projiziert, wobei in der lokalen Anordnung eine Information steckt, die den jeweiligen Ort im Messmuster codiert. Die Information kann sich durch eine nichtperiodische Anordnung der Messpunkte ergeben. As a rule, numerous points are projected in the diffractive projection, with information in the local arrangement which encodes the respective location in the measurement pattern. The information can result from a non-periodic arrangement of the measuring points.

Die US 5,548,418 offenbart eine Vorrichtung zur Projektion von Mustern mittels diffraktiven, optischen Elementen und deren Anwendung in der 3D-Messtechnik, wobei sich die Information durch eine nichtperiodische Anordnung der Messpunkte ergibt. The US 5,548,418 discloses a device for the projection of patterns by means of diffractive optical elements and their application in 3D metrology, the information resulting from a non-periodic arrangement of the measuring points.

Die US 7,433,024 B2 offenbart, dass diese Information ebenso allgemein in sich in allen drei Dimensionen, und hier im speziellen abhängig vom Abstand zum Projektor, veränderlichen Mustern, insbesondere Specklemustern, beinhaltet sein kann. The US 7,433,024 B2 discloses that this information may also be included in general in all three dimensions, and in particular, depending on the distance to the projector, variable patterns, especially bacon patterns.

Die WO 2007/043036 A1 beschreibt ebenso eine Vorrichtung zur Projektion von Mustern mittels diffraktiven optischen Elemente (DOEs) und deren Anwendung in der 3D Messtechnik. The WO 2007/043036 A1 also describes a device for the projection of patterns by means of diffractive optical elements (DOEs) and their application in 3D measurement technology.

In der Regel ist es erwünscht, eine möglichst detailreiche beziehungsweise hochauflösende Rekonstruktion des Messobjekts mit einer einzigen Aufnahme zu erzielen. Dies entspricht einer hohen Messpunktdichte, das heißt, über die Messfläche des Objekts soll die Zahl der Messpunkte maximal hoch sein. Dieses Ziel steht meist im Spannungsfeld mit den Anforderungen an Kosteneffizienz, da eine höhere Datendichte in der Regel mit höherem technischem Aufwand verbunden ist. Ist die zur erfolgreichen Rekonstruktion erforderliche nichtperiodische Information in der 2D-Punktanordnung enthalten, ist die Anzahl der Messpunkte und somit die Datendichte begrenzt durch einen Mindestabstand der Punkte zueinander. Eine höhere Datendichte, und zwar in der Praxis typsicherweise um den Faktor 4 bis 10, kann durch Linienmuster erzielt werden, da hier der Punktabstand in einer Dimension eliminiert wird. In general, it is desirable to achieve the most detailed or high-resolution reconstruction of the measurement object with a single shot. This corresponds to a high measuring point density, that is, over the measuring surface of the object, the number of measuring points should be maximum. This goal is usually in conflict with the requirements of cost efficiency, since a higher data density is usually associated with higher technical complexity. If the non-periodic information required for the successful reconstruction is contained in the 2D point arrangement, the number of measurement points and thus the data density is limited by a minimum distance of the points from each other. A higher data density, in practice typically by a factor of 4 to 10, can be achieved by means of line patterns, since here the dot spacing in one dimension is eliminated.

Im Stand der Technik sind Verfahren zur diffraktiven Projektion periodischer Linienmuster vertreten. Aufgrund der Periodizität kann eine eindeutige Zuordnung der Linien nur unter Zuhilfenahme zusätzlicher geometrischer Rahmenbedingungen erreicht werden. Im Falle einer einzelnen Kamera kann diese Rahmenbedingung der begrenzte Messraum sein. Mit dieser Einschränkung lässt sich jedoch, abhängig vom Triangulationswinkel, lediglich eine sehr geringe Anzahl Linien unterscheiden. Eine andere Möglichkeit besteht in einer Einschränkung der zu vermessenden Oberflächen. Können Höhenstufen und Unterbrechungen in der Oberfläche ausgeschlossen werden, sind die projizierten Linien in der Reihenfolge ihres Auftretens im Kamerabild indizierbar. Dies schränkt jedoch mögliche Anwendungen des Messsystems sehr stark ein. Wird eine zweite Kamera hinzugenommen, und zwar bei Stereo Vision, kann die Vielzahl der Linien aufgrund engerer geometrischer Rahmenbedingungen, auf der Grundlage von Epipolargeometrie, erhöht werden. Die Anzahl der Linien und somit die Messdatendichte liegt jedoch in der Praxis nahezu eine Größenordnung unter Ansätzen, die nichtperiodische Informationen verwenden. Eine zusätzliche Kamera erhöht zudem signifikant die Kosten eines derartigen Systems. In the prior art methods for the diffractive projection of periodic line patterns are represented. Due to the periodicity, an unambiguous assignment of the lines can only be achieved with the aid of additional geometric conditions. In the case of a single camera, this frame condition may be the limited measurement space. With this restriction, however, depending on the triangulation angle, only a very small number of lines can be distinguished. Another possibility is a restriction of the surfaces to be measured. If height levels and interruptions in the surface can be excluded, the projected lines are indexable in the order of their appearance in the camera image. However, this limits very much possible applications of the measuring system. If a second camera is added, namely in Stereo Vision, the multiplicity of lines can be increased due to tighter geometric conditions, based on epipolar geometry. However, the number of lines, and hence the measured data density, is in practice almost an order of magnitude less than approaches using non-periodic information. An additional camera also significantly increases the cost of such a system.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Rekonstruktion einer dreidimensionalen Oberfläche eines Objektes mittels einer strukturierten Beleuchtung zur Projektion von Messmustern auf das Objekt bereit zu stellen, wobei die Projektion schnell, kostengünstig und lichteffizient ausführbar sein soll. Messmuster sollen leistungsfähig hinsichtlich einer robusten Dekodierbarkeit und insbesondere hinsichtlich der Anzahl von Messelementen, das heißt hinsichtlich der Datendichte sein. It is an object of the present invention to provide an apparatus and a method for reconstructing a three-dimensional surface of an object by means of a structured illumination for the projection of measurement patterns on the object, wherein the projection should be fast, inexpensive and light efficient executable. Measurement patterns should be powerful in terms of robust decodability and in particular with regard to the number of measuring elements, that is to say in terms of data density.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und eine Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch gelöst. The object is achieved by a method according to the main claim and a device according to the independent claim.

Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Rekonstruktion einer Oberfläche eines Objekts mittels eine strukturierten Beleuchtung, insbesondere mit Laserlicht, mittels folgender Schritte vorgeschlagen:

– mittels mindestens einer Projektoreinrichtung ausgeführtes Projizieren eines Messelemente aufweisenden Gesamtmessmusters auf die Oberfläche des Objekts;
– mittels mindestens einer Erfassungseinrichtung ausgeführtes Erfassen des Gesamtmessmusters auf der Oberfläche des Objekts;
– mittels einer Rechnereinrichtung ausgeführtes Berechnen, insbesondere Triangulieren, zur Rekonstruktion der Oberfläche des Objekts aus einer jeweiligen Verzerrung des Gesamtmessmusters,

dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtmessmuster als Messelemente eine Reihenfolge von Messlinien aufweist;
in dem Gesamtmessmuster alle möglichen Positionen von Messlinien in sich entlang der Reihenfolge räumlich wiederholenden als Fenster bezeichneten Abschnitten enthalten sind, wobei in den Fenstern eine jeweilige Kombination von erzeugten und/oder nicht erzeugten Messlinien im Gesamtmessmuster den jeweiligen Ort im Gesamtmessmuster kodiert. According to a first aspect, a method for the reconstruction of a surface of an object by means of a structured illumination, in particular with laser light, is proposed by means of the following steps:

Projecting an overall measuring pattern having measuring elements by means of at least one projector device onto the surface of the object;
- Detected by at least one detecting means detecting the total measuring pattern on the surface of the object;
Calculating, in particular triangulation, performed by means of a computer, for reconstructing the surface of the object from a respective distortion of the overall measuring pattern,

characterized in that the total measuring pattern has a sequence of measuring lines as measuring elements;
in the overall measurement pattern, all possible positions of measurement lines are contained in the sequence along the order of repeating sections called windows, wherein in the windows a respective combination of generated and / or non-generated measurement lines in the overall measurement pattern encodes the respective location in the overall measurement pattern.

Ein Gesamtmessmuster ist hier ein Begriff für ein allgemeines Messmuster, das insbesondere aus einer Gesamtheit an Messlinien besteht. An overall measurement pattern is here a term for a general measurement pattern, which consists in particular of a set of measurement lines.

Eine Reihenfolge von Messlinien bezeichnet hier insbesondere eine Sequenz von Messlinien. Sequenz, sequentiell oder sequenziell (von lateinisch für „Aufeinanderfolge“) steht für:

– Reihenfolge, allgemein eine räumliche, zeitliche oder gedankliche, lineare Aufreihung oder Abfolge
– Sequenz (Mathematik), sortierte Folge von Zahlen.

A sequence of measurement lines here refers in particular to a sequence of measurement lines. Sequence, sequential or sequential (from Latin for "sequence") stands for:

- Order, generally a spatial, temporal or mental, linear sequencing or sequence
- Sequence (mathematics), sorted sequence of numbers.

Zur Codierung einer örtlich variierenden Information im Messmuster, die zur Lösung des Korrespondenzproblems notwendig ist, wird erfindungsgemäß folgender Ansatz vorgeschlagen. Eine zeitliche und/oder örtliche Codierung erfolgt mittels aktiven und inaktiven Messlinien im Messmuster, wobei hier inaktiv das Auslassen von Messlinien in einem ansonsten voll besetzten Messmuster, insbesondere in einem Fenster, bezeichnet. For encoding a locally varying information in the measurement pattern, which is necessary to solve the correspondence problem, the following approach is proposed according to the invention. A temporal and / or local coding takes place by means of active and inactive measuring lines in the measuring pattern, wherein here inactive denotes the omission of measuring lines in an otherwise fully occupied measuring pattern, in particular in a window.

Ein Fenster ist hier insbesondere ein gleichförmiger räumlicher Ausschnitt des Gesamtmessmusters entlang der Reihenfolge der Messlinien, wobei eine Reihenfolge aller Ausschnitte zusammengefasst das Gesamtmessmuster ergeben. In particular, a window here is a uniform spatial section of the overall measurement pattern along the order of the measurement lines, wherein an order of all sections summarizes the overall measurement pattern.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Rekonstruktion einer Oberfläche eines Objektes mittels einer strukturierten Beleuchtung, insbesondere mit Laserlicht, vorgeschlagen, die aufweist:

– mindestens eine Projektoreinrichtung zum diffraktiven Projizieren eines Messelemente aufweisenden Gesamtmessmusters auf die Oberfläche des Objekts;
– mindestens eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen des Gesamtmessmusters auf der Oberfläche des Objekts;
– eine Rechnereinrichtung zum Berechnen, insbesondere Triangulieren, zur Rekonstruktion der Oberfläche des Objekts aus einer jeweiligen Verzerrung des Gesamtmessmusters, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtmessmuster als Messelemente eine Reihenfolge von Messlinien aufweist;

in dem Gesamtmessmuster alle möglichen Positionen von Messlinien in sich entlang der Reihenfolge räumlich wiederholenden als Fenster bezeichneten Abschnitten enthalten sind, wobei in den Fenstern eine jeweilige Kombination von erzeugten und/oder nicht erzeugten Messlinien im Gesamtmessmuster den jeweiligen Ort im Gesamtmessmuster kodiert. According to a second aspect, an apparatus for the reconstruction of a surface of an object by means of a structured illumination, in particular with laser light, is proposed, which comprises:

At least one projector device for diffractively projecting a total measuring pattern having measuring elements onto the surface of the object;
- At least one detecting means for detecting the total measuring pattern on the surface of the object;
- A computer means for calculating, in particular triangulating, for reconstructing the surface of the object from a respective distortion of the total measuring pattern, characterized in that the total measuring pattern as measuring elements has a sequence of measuring lines;

in the overall measurement pattern, all possible positions of measurement lines are contained in the sequence along the order of repeating sections called windows, wherein in the windows a respective combination of generated and / or non-generated measurement lines in the overall measurement pattern encodes the respective location in the overall measurement pattern.

Es wird eine 3D-Erfassung hoher Datendichte mittels diffraktiver Linienprojektionen und insbesondere unter Verwendung lediglich einer Kamera als Erfassungseinrichtung vorgeschlagen. A 3D data acquisition of high data density is proposed by means of diffractive line projections and in particular using only one camera as the detection device.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht. Further advantageous embodiments are claimed in conjunction with the subclaims.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die mindestens eine Projektoreinrichtung eine Vielzahl von Messmustern auf die Oberfläche des Objektes projizieren, wobei die Messmuster überlagert das Gesamtmessmuster ausbilden. According to an advantageous embodiment, the at least one projector device can project a plurality of measurement patterns onto the surface of the object, the measurement patterns superimposed forming the overall measurement pattern.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung zum Unterscheiden von Messmustern diese in einer zeitlichen Abfolge projizieren. According to a further advantageous embodiment, the projector device for distinguishing measurement patterns can project these in a temporal sequence.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung zum Unterscheiden von Messmustern, diese mit zueinander unterschiedlichen Lichtwellenlängen und insbesondere gleichzeitig projizieren. According to a further advantageous embodiment, the projector device for distinguishing measurement patterns, they project with mutually different wavelengths of light and in particular at the same time.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung das Gesamtmessmuster als eine, insbesondere horizontale, Aneinanderreihung zueinander beabstandeter und zueinander parallel angeordneter Messlinien, insbesondere gleicher Breite und/oder Intensität, erzeugen. According to a further advantageous embodiment, the projector device can generate the overall measuring pattern as a, in particular horizontal, juxtaposition of spaced apart and parallel to each other arranged measuring lines, in particular the same width and / or intensity.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung in mindestens einem als Primärmessmuster bezeichneten Messmuster, insbesondere in den Fenstern, immer alle Messlinien erzeugen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann mindestens eines der Muster voll besetzt sein, d.h. es weist bei einer gegebenen Linienperiode LP die maximal im Muster darstellbare Anzahl von Linien L auf. Diese primären Muster PM dienen vorteilhaft der Synchronisation der Musterdecodierung und der korrekten Zuordnung von Linien L der Sekundärmuster. According to a further advantageous embodiment, the projector device can always generate all measuring lines in at least one measuring pattern designated as the primary measuring pattern, in particular in the windows. According to an advantageous embodiment, at least one of the patterns may be fully occupied, i. For a given line period LP, it has the maximum number of lines L that can be represented in the pattern. These primary patterns PM advantageously serve to synchronize the pattern decoding and the correct assignment of lines L of the secondary patterns.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung drei Messmuster erzeugen, wobei in jedem Fenster in einem der Messmuster des Gesamtmessmusters immer eine Messlinie erzeugt ist und in den beiden anderen Messmustern jeweils maximal eine Messlinie erzeugt ist. According to a further advantageous embodiment, the projector device can generate three measurement patterns, wherein in each window in one of the measurement patterns of the overall measurement pattern always a measurement line is generated and in each of the two other measurement patterns a maximum of one measurement line is generated.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung innerhalb der Vielzahl an Fenstern jeweils lediglich Codierungen mit einer Mindestanzahl von erzeugten Messlinien ausbilden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Symbolsequenz so gestaltet, dass über alle projizierten Muster so viele Linien L wie möglich projiziert werden, beispielsweise mittels Auslassen des Symboles 3, das gemäß Tabelle 1 keine Sekundärlinien projiziert. Dies hat den Vorteil, dass so viele Messdaten wie möglich generiert werden, da Messdaten lediglich entlang der Linien L erzeugt werden können. According to a further advantageous embodiment, the projector device can form only codes with a minimum number of generated measurement lines within the plurality of windows. In an advantageous embodiment, the symbol sequence is designed so that as many lines L as possible are projected over all the projected patterns, for example by omitting the symbol 3 which, according to Table 1, does not project secondary lines. This has the advantage that as many measurement data as possible are generated since measurement data can only be generated along the lines L.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung in einem Fenster eine Position als ein Wort projizieren, das aus einer Reihenfolge von Symbolen besteht, die mittels einer jeweiligen Kombination von erzeugten und/oder nicht erzeugten Messlinien geschaffen werden können. According to a further advantageous embodiment, the projector device can project a position as a word in a window, which consists of a sequence of symbols which can be created by means of a respective combination of generated and / or non-generated measurement lines.

In der Kodierungstheorie nennt man die Elemente, aus denen ein Code besteht, „Codewörter“, die Symbole aus denen die Codewörter bestehen, bilden ein „Alphabet“. Gemäß dieser Erfindung sind die Codewörter lediglich als Wörter bezeichnet, die aus Symbolen gebildet werden, denen jeweils ein Symbolindex zugeordnet werden kann. In coding theory, the elements that make up a code are called "codewords", the symbols that make up the codewords form an "alphabet". According to this invention, the codewords are referred to merely as words formed from symbols, each of which can be assigned a symbol index.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung in der Gesamtheit aller benachbarten Fenster eine Symbolsequenz entlang der Reihenfolge der Messlinien erzeugen. Die vorgeschlagene Erzeugung von Messlinien in jeweiligen Messmustern, die überlagert werden, und das daraus sich ergebende Gesamtmessmuster entspricht einer als Symbolsequenz bezeichneten Gesamtheit an projizierten Symbolen, wobei ein Symbol einer Kombination in einem jeweiligen als Fenster bezeichneten räumlichen Abschnitt ausgewählter erzeugter und nicht erzeugter Linien entspricht, wobei ein Symbolindex durch ein Erzeugen und/oder Auslassen von Messlinien in dem Fenster codiert ist, erlaubt eine vorteilhafte Lösung des Korrespondenzproblems mittels eines nicht-periodischen Gesamtmessmusters unter Beibehaltung einer hohen Messliniendichte, wobei die Erzeugung einer längeren Symbolsequenz mit einer Mehrzahl von möglichen Symbole aufweisenden Wörtern, wobei ein Wort mittels des dazugehörigen Fensters festgelegt wird, führt zu einer fehlertoleranteren Decodierung. According to a further advantageous embodiment, the projector device can generate a symbol sequence along the order of the measurement lines in the entirety of all adjacent windows. The proposed generation of measurement lines in respective measurement patterns which are superimposed and the resulting overall measurement pattern corresponds to a totality of projected symbols, referred to as a symbol sequence, where a symbol corresponds to a combination in a respective spatial section of selected generated and non-generated lines, referred to as a window, wherein a symbol index is coded by generating and / or omitting measurement lines in the window, allows an advantageous solution of the correspondence problem by means of a non-periodic overall measurement pattern while maintaining a high density of the measurement line, generating a longer symbol sequence having a plurality of possible symbols Setting a word using the associated window results in more error-tolerant decoding.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung ein Wort innerhalb einer Symbolsequenz oder eines Gesamtmessmusters lediglich so oft erzeugen, dass das Korrespondenzproblem aufgrund geometrischer Rahmenbedingungen zwischen Kamera und Projektoreinrichtung, insbesondere mittels Epipolargeometrie, eindeutig lösbar ist. According to a further advantageous embodiment, the projector device can only generate a word within a symbol sequence or an overall measurement pattern so often that the correspondence problem can be solved unambiguously on account of geometrical framework conditions between camera and projector device, in particular by means of epipolar geometry.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung die Symbolsequenz bei einer Hamming-Distanz von mindestens 2 ein beliebiges Wort von einem anderen beliebigen Wort an mindestens zwei Stellen unterschiedliche Symbole aufweisend erzeugen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Symbolsequenz so gestaltet sein, dass zwischen zwei beliebigen Worten eine Hamming-Distanz h von mindestens 2 besteht, d.h., dass zwei beliebige Worte aus mindestens zwei Stellen unterschiedliche Symbole aufweisen. Im Fall von h = 2 können fehlerhafte Symbole erkannt werden, bei h > 2 können ein oder mehrere Symbolfehler korrigiert werden. According to a further advantageous embodiment, the projector device may generate the symbol sequence at a Hamming distance of at least 2, any word from another arbitrary word having at least two locations having different symbols. In an advantageous embodiment, the symbol sequence can be designed such that a Hamming distance h of at least 2 exists between any two words, ie that any two words from at least two places have different symbols. In the case of h = 2, erroneous symbols can be detected, with h> 2 one or more symbol errors can be corrected.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung die Symbolsequenz mit einer Hamming-Distanz derart erzeugen, dass ein jeweiliges Wort bei einer Symbollänge kleiner oder gleich 4 eindeutig ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Symbolsequenz so gestaltet sein, dass das Eindeutigkeitsfenster bzw. Fenster besonders klein ist, d.h., dass mit einer relativ kleinen Wortlänge eine Eindeutigkeit oder eine entsprechende Ausführung geforderter Hamming-Distanz erreicht wird. Ein kleines Eindeutigkeitsfenster weist den Vorteil auf, dass die minimal auflösbare Objektgröße verkleinert wird, wenn Objekte eine vom Rest des Messobjekts isolierte Oberfläche oder einen großen Höhensprung aufweisen. According to a further advantageous embodiment, the projector device can generate the symbol sequence with a Hamming distance in such a way that a respective word is unambiguous at a symbol length less than or equal to 4. In an advantageous embodiment, the symbol sequence can be designed such that the uniqueness window or window is particularly small, that is to say that with a relatively small word length, uniqueness or a corresponding execution of the required Hamming distance is achieved. A small uniqueness window has the advantage of minimizing the minimum resolvable object size when objects have a surface isolated from the remainder of the measurement object or a large elevation.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung die Symbolsequenz mit einer Hamming- Distanz und einer Größe der Fenster derart oft aneinander reiht, dass das Korrespondenzproblem aufgrund geometrischer Rahmenbedingungen zwischen Erfassungseinrichtung und Projektoreinrichtung, insbesondere mittels Epipolargeometrie, eindeutig lösbar ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Symbolsequenz derart gestaltet sein, dass das Eindeutigkeitsfenster oder Fenster um die Hamming-Distanz h erhalten bleiben, wenn die Symbolsequenz mehrmals aneinandergereiht ist, d.h., sich das projizierte Linienmuster wiederholt. Eine Eindeutigkeit kann dann in gewissen Grenzen mittels geometrischer Rahmenbedingungen hergestellt werden, und zwar beispielsweise über den Arbeitsbereich des Messsystems oder den Einsatz mehrerer Kameras. Ein Vorteil liegt dann darin, dass das Eindeutigkeitsfenster gegebenenfalls kleiner ausgelegt werden kann. In accordance with a further advantageous embodiment, the projector device can juxtapose the symbol sequence with a Hamming distance and a size of the windows so often that the correspondence problem can be unambiguously solved on the basis of geometric framework conditions between the detection device and the projector device, in particular by means of epipolar geometry. In an advantageous embodiment, the symbol sequence may be designed so that the uniqueness window or window is maintained around the Hamming distance h when the symbol sequence is lined up several times, i.e., the projected line pattern repeats itself. A uniqueness can then be produced within certain limits by means of geometric conditions, for example, over the working range of the measuring system or the use of multiple cameras. One advantage is that the uniqueness window can be made smaller, if necessary.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung die Symbolsequenz derart erzeugen, dass das Auftreten von Messlinien achsen- oder punktsymmetrisch ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Symbolsequenz so gestaltet sein, dass sie eine achsen- oder punktsymmetrische Mustersequenz erzeugt. Dies hat den Vorteil, dass die Mustersequenz mit geringem Aufwand mittels beispielsweise diffraktiven optischen Elementen projiziert werden kann. According to a further advantageous embodiment, the projector device can generate the symbol sequence such that the occurrence of measurement lines is axis or point symmetrical. In an advantageous embodiment, the symbol sequence can be designed such that it generates an axis-symmetrical or point-symmetrical pattern sequence. This has the advantage that the pattern sequence can be projected with little effort by means of, for example, diffractive optical elements.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung zur Erhöhung einer Messelementdichte mittels rotatorisch oder translatorisch aktuierter Komponenten, insbesondere mittels eines Scanspiegels, eine zeitlich variierende Verschiebung zwischen Messmustern ausführen. According to a further advantageous embodiment, the projector device can increase the density of a measuring element by means of components that are actuated in a rotational or translatory manner, in particular by means of a scanning mirror, to perform a time-varying shift between measuring patterns.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung für jedes aus Messlinien bestehende Messmuster räumlich getrennt jeweils eine Lichtquelle, insbesondere einen Laser, sowie eine linienerzeugende Optik und ein diffraktives optisches Element oder ein linienerzeugendes diffraktives optisches Element aufweisen. According to a further advantageous embodiment, the projector device for each of measurement lines existing measurement patterns spatially separated in each case a light source, in particular a laser, as well as a line-generating optics and a diffractive optical element or a line-generating diffractive optical element.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung, insbesondere entlang der Messlinien, eine lineare Anordnung, einer Mehrzahl von jeweils eine Lichtquelle sowie eine linienerzeugende Optik und ein diffraktives optisches Element oder ein linienerzeugendes diffraktives optisches Element aufweisender Projektoren aufweisen. According to a further advantageous embodiment, the projector device, in particular along the measurement lines, a linear array, a plurality of each have a light source and a line-generating optics and a diffractive optical element or a line-generating diffractive optical element exhibiting projectors.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Projektoreinrichtung für alle aus Messlinien bestehenden Messmuster eine Lichtquelle, insbesondere einen Laser, sowie eine Einrichtung zum Auswechseln einer Anzahl von linienerzeugenden Optiken und diffraktiven optischen Elementen und/oder einer Anzahl von linienerzeugenden diffraktiven optischen Elementen aufweisen. According to a further advantageous embodiment, the projector device can have a light source, in particular a laser, and a device for exchanging a number of line-generating optics and diffractive optical elements and / or a number of line-producing diffractive optical elements for all measurement patterns consisting of measurement lines.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Lichtquelle beziehungsweise können die Lichtquellen eine Temperaturregelung(en) aufweisen. According to a further advantageous embodiment, the light source or the light sources may have a temperature control (s).

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Lichtquellen jeweils eine unterschiedliche Wellenlänge emittieren und die Erfassungseinrichtungen Farbkameras sind. According to a further advantageous embodiment, the light sources each emit a different wavelength and the detection devices are color cameras.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen: The invention will be described in more detail by means of exemplary embodiments in conjunction with the figures. Show it:

1 ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Vorrichtung; 1 an embodiment of a conventional device;

2 eine erste Darstellung eines Ausführungsbeispiels von erfindungsgemäßen Messmustern und eines dazugehörigen erfindungsgemäßen Gesamtmessmusters; 2 a first representation of an embodiment of measurement patterns according to the invention and an associated total inventive measurement pattern;

3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Ausgestaltung eines Flussdiagramms; 3 an embodiment of a method according to the invention in an embodiment of a flowchart;

4 eine zweite Darstellung des Ausführungsbeispiels von erfindungsgemäßen Messmustern und des dazugehörigen erfindungsgemäßen Gesamtmessmusters; 4 a second representation of the embodiment of measurement patterns according to the invention and the associated inventive total measurement pattern;

5a eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Projektion eines Messmusters; 5a a side view of a first embodiment of a device according to the invention for the projection of a measuring pattern;

5b eine Draufsicht des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Projektion eines Messmusters; 5b a plan view of the first embodiment of a device according to the invention for the projection of a measuring pattern;

5c eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Projektion von Messmustern; 5c a side view of a second embodiment of a device according to the invention for the projection of measurement patterns;

6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 6 a further embodiment of a method according to the invention.

2 zeigt eine erste Darstellung eines Ausführungsbeispiels von erfindungsgemäßen Messmustern und eines dazugehörigen erfindungsgemäßen Gesamtmessmusters. Es sind Messmuster P, S1 und S2 sowie ein Gesamtmessmuster GM dargestellt. Eine eindeutige Identifikation eines Linienindexes wird mittels der Verwendung einer codierten Serie oder Reihenfolge aus Linienmustern bewirkt, die insbesondere sequentiell projiziert und von einer Kamera detektiert wird. Es wird zwischen einem primären Muster P und mehreren sekundären Mustern S1, S2, ... unterschieden. Das primäre Muster P ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung voll besetzt, periodisch und hat eine maximal auflösbare Liniendichte bzw. eine kleinste Linienperiode LP, sowie dies in 2 angegeben ist, d.h. es werden so viele Linien L projiziert, wie im Rahmen eines Auflösungsvermögens und von Schärfentiefenanforderungen von der Erfassungseinrichtung 3, die insbesondere als Kamera ausgeführt ist, auflösbar sind. Die sekundären Muster S1, S2 usw., wobei hier lediglich zwei sekundäre Muster S1 und S2 dargestellt sind und verwendet werden, weisen die gleiche Linienperiode LP auf wie das Primärmuster P, jedoch sind Sekundärmuster S1 und S2 fortschreitend zueinander und zum Primärmuster P verschoben. Eine Linienperiode LP ist dabei ein Abstand zwischen erzeugten Linien L. Die Verschiebung bewirkt eine signifikante Erhöhung der Messdatendichte, da lediglich an Stellen einer Linie L Datenpunkte erzeugt werden können und so wirksam Anzahl und auftreffende Orte der Linien L erhöht werden, wobei sich das Gesamtmuster GM ergibt. Das Gesamtmuster GM weist als Messelemente eine Aneinanderreihung von Messlinien L auf, wobei in dem Gesamtmessmuster GM alle möglichen Positionen von Messlinien L in sich entlang der Aneinanderreihung der Messlinien L räumlich wiederholende als Fenster F bezeichnete Abschnitte geschaffen werden können, wobei in einem Fenster F jeweils eine Kombination von erzeugten und/oder nicht erzeugten Messlinien L im Gesamtmessmuster GM den jeweiligen Ort im Gesamtmessmuster GM codiert. 2 zeigt, dass mittels einer Projektoreinrichtung 1 eine Vielzahl von Messmustern P, S1, S2 auf die Oberfläche eines Objektes O projizieren kann, wobei die Messmuster P, S1 und S2 überlagert das dargestellte Gesamtmessmuster GM erzeugen. In einem räumlichen Abschnitt PS, der durch zwei vertikale Linien eingegrenzt ist, ist die interne Verschiebung der Muster P, S1, S2 ersichtlich. Ein Fenster F kann ebenso als ein Eindeutigkeitsfenster bezeichnet werden. In dem Gesamtmessmuster GM, das auch als akkumuliertes Muster bezeichnet werden kann, sind wirksame Datenpunkte erzeugt, wobei die jeweiligen Sekundärmuster S1 und S2 codieren. 2 shows a first representation of an embodiment of measurement patterns according to the invention and an associated inventive total measurement pattern. Measuring patterns P, S1 and S2 and a total measuring pattern GM are shown. An unambiguous identification of a line index is effected by the use of a coded series or sequence of line patterns, which in particular is sequentially projected and detected by a camera. A distinction is made between a primary pattern P and a plurality of secondary patterns S1, S2,.... The primary pattern P is fully occupied according to an advantageous embodiment, periodic and has a maximum resolvable line density or a smallest line period LP, as well as in 2 that is, as many lines L are projected as in resolution and depth of field requirements from the detector 3 , which is designed in particular as a camera, are resolvable. The secondary patterns S1, S2, etc., here shown and used with only two secondary patterns S1 and S2, have the same line period LP as the primary pattern P, but secondary patterns S1 and S2 are progressively shifted from each other and to the primary pattern P. In this case, a line period LP is a distance between generated lines L. The shift causes a significant increase in the measured data density, since data points can be generated only at points of a line L and thus effectively increase the number and impinging locations of the lines L, the overall pattern GM results. The overall pattern GM has a series of measurement lines L as measurement elements, wherein in the overall measurement pattern GM all possible positions of measurement lines L can be created along the sequence of measurement lines L spatially repeating sections designated as window F, wherein in a window F one in each case Combination of generated and / or non-generated measurement lines L in the overall measurement pattern GM encoded the respective location in the overall measurement pattern GM. 2 shows that by means of a projector device 1 a plurality of measurement patterns P, S1, S2 can project onto the surface of an object O, the measurement patterns P, S1 and S2 superimposed to produce the illustrated overall measurement pattern GM. In a spatial section PS bounded by two vertical lines, the internal displacement of the patterns P, S1, S2 can be seen. A window F may also be referred to as a uniqueness window. In the overall measurement pattern GM, which can also be called an accumulated pattern, effective data points are generated, with the respective secondary patterns S1 and S2 coding.

Sind eine Linienperiode LP und eine Anzahl von N_sek Sekundärmustern, und zwar hier ist N_sek = 2, gegeben, so weist eine vorteilhafte Ausführungsform eine Verschiebung von LP/(N_sek + 1) auf, d.h., eine gleichförmige Verteilung und Verschiebung der Linie entlang einer zeitlichen Abfolge einer Musterprojektion kann damit geschaffen werden. Given a line period LP and a number of N_sec secondary patterns, here N_sek = 2, an advantageous embodiment has a shift of LP / (N_sec + 1), ie a uniform distribution and displacement of the line along a temporal Sequence of a pattern projection can be created with it.

Im Gegensatz zum Primärmuster P sind die sekundären Linienmuster S1 und S2 nicht voll besetzt. Innerhalb der Sequenz oder Reihenfolge des Gesamtmessmusters GM, das gemäß 2 hier beispielsweise aus drei Mustern besteht, können bei N Linien L im primären Muster P genau N benachbarte Gruppen Gi aus anwesenden Linien L und nicht anwesenden Linien L in den Sekundärmustern S1 und S2 gebildet werden, wobei gemäß 2 beispielsweise Gruppen G1 und G2 dargestellt sind. Die Anwesenheit oder Abwesenheit von Linien L in den Sekundärmustern S1 und S2 enthält als Ganzes eine binäre Information mit einer Bittiefe in Höhe der Anzahl der Sekundärmuster N_sek, d.h. bei N_sek Sekundärmustern können 2^N_sek oder 2 hoch N_sek Gruppen, die ebenso als Symbole bezeichnet werden können, mit verschiedenen Kombinationen aus an- oder abwesenden Linien erzeugt werden. Hierzu wird auf die folgende Tabelle 1 verwiesen:
Die codierte Serie von Linienmustern beispielsweise in Form von dem Primärmuster P und den Sekundärmustern S1 und S2 ermöglicht Symbole, die aus entsprechenden Kombinationen von an- oder abwesenden Linien L bei einer beispielhaften Anzahl von N_sek = 2 Sekundärmustern geschaffen werden können. Tabelle 1: Symbol index: 0 1 2 3 Primärmuster P: Linie Linie Linie Linie Sekundärmuster S1: Linie Linie Keine Keine Linie Linie Sekundärmuster S2: Linie Keine Linie Keine Linie Linie In contrast to the primary pattern P, the secondary line patterns S1 and S2 are not fully occupied. Within the sequence or order of the overall measurement pattern GM, according to 2 Here, for example, if there are three patterns, N lines L in the primary pattern P can be formed with exactly N adjacent groups Gi from present lines L and non-present lines L in the secondary patterns S1 and S2, respectively 2 For example, groups G1 and G2 are shown. The presence or absence of lines L in the secondary patterns S1 and S2 as a whole contains binary information with a bit depth equal to the number of secondary patterns N_sek, ie for N_sek secondary patterns, 2 ^ N_sec or 2 high N_sec groups may also be referred to as symbols can be generated with different combinations of absent or absent lines. Reference is made to the following Table 1:
The coded series of line patterns, for example in the form of the primary pattern P and the secondary patterns S1 and S2, allow for symbols that can be created from corresponding combinations of absent or absent lines L in an exemplary number of N_sec = 2 secondary patterns. Table 1: Icon index: 0 1 2 3 Primary pattern P: line line line line Secondary pattern S1: line line None None line line Secondary pattern S2: line None line None line line

Die Gesamtheit an projizierten Symbolen kann als Symbolsequenz bezeichnet werden. Die Symbolsequenz hat eine Länge N, wobei N der Anzahl an Linien L im primären Muster P entspricht. Die Symbolsequenz kann beispielsweise so gestaltet sein, dass innerhalb eines sogenannten Fensters F, das ebenso als Eindeutigkeitsfenster bezeichnet werden kann, von benachbarten Symbolen, die Kombination aus Symbolen einmalig ist. Tabelle 2 zeigt eine beispielhafte Symbolsequenz mit einem Fenster F der Länge 3 sowie die ersten sechs Symbolsequenz- bzw. Streifenindizes und deren Symbole im Fenster F. Tabelle 2: Symbolsequenz:

The totality of projected symbols can be called a symbol sequence. The symbol sequence has a length N, where N corresponds to the number of lines L in the primary pattern P. The symbol sequence can be designed, for example, such that within a so-called window F, which can also be called a uniqueness window, of neighboring symbols, the combination of symbols is unique. Table 2 shows an exemplary symbol sequence with a window F of length 3 and the first six symbol sequence or strip indices and their symbols in the window F. Table 2: Symbol sequence:

Symbolsequenzindizes und Symbolsequenzwörter:
0:0,0,0
1:0,0,1
2:0,1,0
3:1,0,0
4:0,0,2
5:0,2,0
...Symbol sequence indices and symbol sequence words:
0: 0,0,0
1: 0,0,1
2: 0,1,0
3: 1,0,0
4: 0,0,2
5: 0,2,0
...

Damit zeigt Tabelle 2 ein Ausführungsbeispiel einer Symbolsequenz, ein Eindeutigkeitsfenster bzw. Fenster F sowie Sequenz- bzw. Streifenindizes. Thus, Table 2 shows an embodiment of a symbol sequence, a window of unambiguity or window F and sequence or strip indices.

Gemäß diesem insbesondere mittels der Symbolsequenz gemäß Tabelle 2 dargestellten Ausführungsbeispiel können im Kamerabild des primären Musters P drei benachbarte Linien L gefunden werden. Die An- und Abwesenheit von Linien L in den Sekundärmustern S1 und S2 im entsprechenden Suchbereich, wobei die Sekundärlinien L zwischen den Primärlinien L liegen müssen, stellt eine Sequenz der Symbole, und zwar hier im Fenster F die Kombination 0,2,0 dar, die aus der Tabelle 1 abgeleitet werden kann und ein sogenanntes Wort W erzeugt. So wird das Symbol 2 derart erzeugt, dass eine Linie L ausschließlich im Sekundärmuster S2 erzeugt ist. Das Symbol 0 wird derart erzeugt, dass Linien L in beiden Sekundärmustern S1 und S2 erzeugt sind. Symbol 3 wird dadurch erzeugt, dass keine Linien L in den Sekundärmustern S1 und S2 erzeugt sind. Eine Suche in der Symbolsequenz, mit der die Linienmuster generiert wurden, ergibt, dass das Wort W:0,2,0 an Stelle 6 auftritt bzw. beginnt. Damit ist bekannt, dass die drei Streifen des primären Musters P die Streifenindizes 6, 7 und 8 besitzen. Mit den Streifenindizes sind die geometrischen Gleichungen der Lichtebenen, sowohl der entsprechenden drei Linien L des Primärmusters P, als auch der in diesem Fall 2 + 1 + 2 = 5 Sekundärlinien L, bekannt. Mit den Ebenengleichungen und den entsprechenden Sichtstrahlen aus dem Kamerabild können mittels Triangulation Messpunkte berechnet werden. 3 zeigt ein Flussdiagramm dieses Ablaufs. According to this embodiment, in particular by means of the symbol sequence shown in Table 2, three adjacent lines L can be found in the camera image of the primary pattern P. The presence and absence of lines L in the secondary patterns S1 and S2 in the corresponding search area, the secondary lines L having to lie between the primary lines L, represents a sequence of the symbols, here in the window F the combination 0.2, 0 which can be derived from Table 1 and produces a so-called word W. Thus, the symbol 2 is generated such that a line L is exclusively generated in the secondary pattern S2. The symbol 0 is generated such that lines L are generated in both secondary patterns S1 and S2. Symbol 3 is generated by producing no lines L in the secondary patterns S1 and S2. A search in the symbol sequence with which the line patterns were generated reveals that the word W: 0.2.0 is in place 6 occurs or begins. Thus, it is known that the three stripes of the primary pattern P are the stripe indices 6 . 7 and 8th have. With the strip indices, the geometric equations of the light planes, both of the corresponding three lines L of the primary pattern P, as well as in this case 2 + 1 + 2 = 5 secondary lines L, are known. With the plane equations and the corresponding visual rays from the camera image, measuring points can be calculated by means of triangulation. 3 shows a flowchart of this process.

Eine Verwendung eines voll besetzten Primärmusters P und mehrerer Sekundärmuster S1, S2, ... bewirkt eine Maximierung einer Datendichte und eine erhöhte Robustheit der Musterdecodierung, wobei eine gleichförmigere Messdatendichte über eine gesamte Messfläche bewirkt werden kann. Eine Verschiebung von Positionen von Linien L zwischen Mustern innerhalb der Sequenz oder des Gesamtmusters GM bewirkt eine wirksame Erhöhung der Messdatendichte, da lediglich an Stellen einer Linie L Datenpunkte erzeugt werden können und so effektiv Anzahl und auftretende Orte der Linien L erhöht werden können. Ein Auslassen von Symbolen mit niedriger oder gar keiner Besetzung von Linien L bewirkt vorteilhaft eine höhere Anzahl an Messpunkten in der Sequenz bzw. dem Gesamtmessmuster GM. Using a fully populated primary pattern P and multiple secondary patterns S1, S2, ... maximizes data density and increases robustness of pattern decoding, with a more uniform data density over an entire measurement area. A shift of positions of lines L between patterns within the sequence or the overall pattern GM effectively increases the measured data density, since data points can be generated only at points of a line L and thus effectively increase the number and occurrences of the lines L. An omission of Symbols with little or no occupation of lines L advantageously results in a higher number of measurement points in the sequence or overall measurement pattern GM.

3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Ausgestaltung eines Flussdiagramms. Auf der Grundlage einer zu erzeugenden Symbolsequenz 0,0,0,1,0,0,2 ..., die hier beispielhaft angegeben ist, können Messmuster in der Ausgestaltung eines Primärmusters P und in Ausgestaltung von Sekundärmustern S1, S2 ... S(Ni – 1) auf ein Messobjekt O projiziert werden. Aus jedem projizierten Muster P, S1, S2 ... kann ein Kamerabild CIi mit i = 1, 2 ... Ni erzeugt werden. Mittels einer Erfassungseinrichtung 3, die insbesondere eine Kamera sein kann, können primäre Streifen einerseits und sekundäre Streifen bzw. Linien L andererseits erfasst werden. Mittels einer Rechnereinrichtung 5 können den erfassten Linien L in einem Schritt SR1 entsprechende Symbole zugeordnet werden. Mittels eines zweiten Schrittes SR2 kann in der Rechnereinrichtung 5 die erzeugte Symbolstruktur wieder decodiert werden, wobei die ursprüngliche projizierte Symbolsequenz dazu herangezogen werden kann. Mit einem dritten Schritt SR3 können mittels der Rechnereinrichtung 5 der Linienindex bzw. Symbolindex aus den primären und sekundären Linien für einen vierten Schritt SR4 der Triangulation herangezogen werden, wobei mittels eines fünften Schrittes SR5 mittels der Rechnereinrichtung 5 aus der Triangulation eine 3D-Punktwolke generiert werden kann. Für den vierten Schritt SR4 können mittels eines Nebenschrittes SR4.1 Kalibrierungsdaten verwendet werden. 3 zeigt damit ein Flussdiagramm beginnend von der Musterprojektion, über ein Kamerabild CIi zu einer 3D-Punktwolke. 3 shows an embodiment of a method according to the invention in an embodiment of a flowchart. On the basis of a symbol sequence to be generated 0,0,0,1,0,0,2 ..., which is given here by way of example, measurement patterns in the design of a primary pattern P and in the configuration of secondary patterns S1, S2 ... S (Ni - 1) are projected onto a measuring object O. From each projected pattern P, S1, S2..., A camera image CIi with i = 1, 2... Ni can be generated. By means of a detection device 3 , which may be in particular a camera, primary strips on the one hand and secondary stripes or lines L on the other hand can be detected. By means of a computer device 5 For example, symbols corresponding to the detected lines L can be assigned in a step SR1. By means of a second step SR2 can in the computer device 5 the generated symbol structure can be decoded again, the original projected symbol sequence can be used. With a third step SR3 can by means of the computer device 5 the line index or symbol index from the primary and secondary lines are used for a fourth step SR4 of the triangulation, wherein by means of a fifth step SR5 by means of the computer device 5 from the triangulation a 3D point cloud can be generated. For the fourth step SR4 calibration data can be used by means of a substep SR4.1. 3 shows a flowchart starting from the pattern projection, via a camera image CIi to a 3D point cloud.

4 zeigt eine zweite Darstellung des Ausführungsbeispiels von erfindungsgemäßen Messmustern P, S1 und S2 sowie des dazugehörigen erfindungsgemäßen Gesamtmessmusters GM gemäß 2. Auf ein dargestelltes Messobjekt O werden diese beispielhaften Muster projiziert. Als Messergebnis aus dem Primärmuster P und den zwei Sekundärmustern S1 und S2, die eine jeweilige Anordnung von Linien L aufweisen, kann eine sogenannte 3D-Punktwolke generiert werden. Die Verarbeitung erfolgt insbesondere mittels einer Rechenvorrichtung 5. 4 shows a second representation of the embodiment of measurement patterns according to the invention P, S1 and S2 and the associated inventive total measurement pattern GM according to 2 , On an illustrated measurement object O, these exemplary patterns are projected. As a measurement result from the primary pattern P and the two secondary patterns S1 and S2, which have a respective arrangement of lines L, a so-called 3D point cloud can be generated. The processing takes place in particular by means of a computing device 5 ,

5a zeigt eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Projektion eines Messmusters. Ein derartiges Messmuster kann beispielsweise ein primäres Messmuster P oder sekundäre Messmuster S1 oder S2 sein. 5a shows a side view of a first embodiment of a device according to the invention for the projection of a measuring pattern. Such a measurement pattern may be, for example, a primary measurement pattern P or secondary measurement patterns S1 or S2.

Im Gegensatz zur abbildenden Projektion, wobei das projizierte Muster vorwiegend mittels Lichtbrechung, das heißt refraktiv, erzeugt wird, wird bei der diffraktiven Projektion das Muster vorwiegend mittels Beugung erzeugt, und zwar in der Regel mittels sogenannter diffraktiver, optischer Elemente (DOEs). Die diffraktive Projektion von Messmustern ist besonders lichteffizient, schränkt aber die Gestaltung der Messmuster ein. Die Dichte der Messlinien im Messraum ist begrenzt durch die Auflösung der Kameras, die zur Auswertung verwendet werden. Ist die Liniendichte zu hoch ausgelegt, können gegebenenfalls Messlinien, wie diese beispielsweise in 2 dargestellt sind, nicht mehr zuverlässig unterschieden werden. Eine weitere Begrenzung liegt in der optischen Informationskapazität der diffraktiven optischen Elemente. Es können nicht beliebig komplexe Muster in beliebiger Auflösung reproduziert werden. Die maximal mögliche Liniendichte kann in der Regel nicht ausgeschöpft werden, da die Anordnung der Linien Informationen zur Decodierung des Linienmusters tragen muss. Im Falle eines vollständig besetzten Musters, beispielsweise bei der maximalen Liniendichte, würde das Linienmuster keine solchen Informationen tragen, das heißt das Linienmuster wäre nicht lokal einzigartig, sondern gleichförmig beziehungsweise periodisch. Die lokale Einzigartigkeit wird aber benötigt, da zur 3D-Rekonstruktion mittels Triangulation eine Beziehung zwischen dem Ursprung einer jeweiligen projizierten Linie und der Sichtlinie einer oder mehrerer Kameras beziehungsweise Erfassungseinrichtungen hergestellt werden muss, was als Korrespondenzproblem bezeichnet wird. In der Praxis werden zur lokal variierenden Codierung der Information nicht alle auflösbaren Linien projiziert. Dies führt allerdings zu einer reduzierten Anzahl an auflösbaren Messlinien, da diese nur am Ort einer projizierten Linie ermittelt werden können. In contrast to the imaging projection, where the projected pattern is generated predominantly by refraction, that is to say refractive, in diffractive projection the pattern is generated predominantly by diffraction, generally by means of so-called diffractive optical elements (DOEs). The diffractive projection of measurement patterns is particularly light efficient, but restricts the design of the measurement patterns. The density of the measuring lines in the measuring room is limited by the resolution of the cameras used for the evaluation. If the line density is too high, measuring lines, such as those in, for example, can be used 2 are no longer reliably distinguished. Another limitation lies in the optical information capacity of the diffractive optical elements. It can not be reproduced arbitrarily complex patterns in any resolution. As a rule, the maximum possible line density can not be exhausted, since the arrangement of the lines must carry information for decoding the line pattern. In the case of a fully occupied pattern, for example at the maximum line density, the line pattern would not carry such information, that is, the line pattern would not be locally unique, but uniform or periodic. However, local uniqueness is needed because for triangulation 3D reconstruction, a relationship must be established between the origin of each projected line and the line of sight of one or more cameras or detectors, which is called a correspondence problem. In practice, not all resolvable lines are projected for locally varying coding of the information. However, this leads to a reduced number of resolvable measurement lines, since these can only be determined at the location of a projected line.

5a zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform eines diffraktiven Mustersequenzprojektors als ein Ausführungsbeispiel einer Projektoreinrichtung 1. Eine Lichtquelle 6, die vorzugsweise ein Laser sein kann, bestrahlt ein optisches Element 7 zur Erzeugung einer jeweiligen Linie L. Vorzugsweise kann ein optisches Element 7 eine sogenannte Powell-Linse sein, es kann jedoch ebenso ein diffraktives optisches Element DOE oder ein anderes Verfahren zur Erzeugung von Linien L verwendet werden. Eine Powell-Linse bewirkt vorteilhaft eine homogene Lichtverteilung und eine hohe Linienqualität, insbesondere in Bezug auf eine Schärfe und eine Homogenität. Zudem weist eine resultierende Linie L keine 0. Beugungsordnung auf. Dies ist besonders vorteilhaft bei einer Auslegung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. eines "Lichtbudgets" im Rahmen der Augensicherheit. 5a shows an advantageous embodiment of a diffractive pattern sequence projector as an embodiment of a projector device 1 , A light source 6 , which may preferably be a laser, irradiates an optical element 7 for producing a respective line L. Preferably, an optical element 7 a so-called Powell lens, however, a diffractive optical element DOE or another method of generating lines L may also be used. A Powell lens advantageously brings about a homogeneous light distribution and a high line quality, in particular with regard to a sharpness and a homogeneity. In addition, a resulting line L has no 0 diffraction order. This is particularly advantageous when designing a device according to the invention or a "light budget" within the scope of eye safety.

Eine Laserlinie trifft auf ein Element zur mehrfachen Strahlteilung mit individuell definierten Umlenkwinkeln, wobei dieses Element vorzugsweise ein diffraktives optisches Element DOE sein kann. Die selektive Strahlteilung bewirkt die Erzeugung eines Musters von Linien L entsprechend der Vorgaben einer Symbolsequenz. Dieses Muster kann periodisch, und zwar beispielsweise im Falle eines Primärmusters P, oder nicht periodisch, und zwar im Falle eines sekundären Musters S1 oder S2 sein. Vorteilhaft ist die Verwendung einer Symbolsequenz, die eine spiegelsymmetrische Mustersequenz erzeugt oder aus der Mustersequenz ableitbar ist, da diese mit geringem Aufwand mit diffraktiven optischen Elementen DOEs dargestellt werden kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können das Element zur Linienerzeugung sowie der Strahlteiler in einem einzigen optischen Element zusammengefasst sein, und zwar beispielsweise in einem diffraktiven optischen Element DOE. Zwar ist eine Regulierung der Temperatur von Laserdioden nicht erforderlich, aber es ist vorteilhaft, da die erzeugte Laserwellenlänge und damit eine Wiedergabe eines jeweiligen Musters reproduzierbarer wird. Mittels einer gezielten Temperaturregelung individueller Laserdioden kann eine herstellungsbedingte Streuung von Laserwellenlängen teilweise oder ganz kompensiert werden. A laser line encounters an element for multiple beam splitting with individually defined deflection angles, this element preferably being a diffractive optical element DOE. The selective beam splitting causes the generation of a pattern of lines L according to the specifications of a symbol sequence. This pattern may be periodic, for example in the case of a primary pattern P, or not periodically, in the case of a secondary pattern S1 or S2. It is advantageous to use a symbol sequence which generates a mirror-symmetrical pattern sequence or can be derived from the pattern sequence, since this can be displayed with little effort with diffractive optical elements DOEs. According to a further embodiment, the line generation element and the beam splitter may be combined in a single optical element, for example in a diffractive optical element DOE. Although it is not necessary to regulate the temperature of laser diodes, it is advantageous because the laser wavelength produced and thus a reproduction of a respective pattern becomes more reproducible. By means of a targeted temperature control of individual laser diodes, a production-related scattering of laser wavelengths can be partially or completely compensated.

Eine Verwendung einer codierten, monochromatischen Liniensequenz bewirkt vorteilhaft eine Lösung des sogenannten Korrespondenzproblems. Eine monochromatische Liniensequenz ist diffraktiv projizierbar, wobei dies zu einer signifikant höheren Lichteffizienz führt, so dass die Kosten der Lichtquelle 6 sinken, sehr große Flächen des Messobjekts O vermessen werden können und/oder vergleichsweise viel Umgebungslicht toleriert werden kann. Eine monochromatische Projektion ermöglicht die Verwendung kameraseitiger Bandpassfilter, die zusätzlich zur Eliminierung von Umgebungslicht beitragen können. Eine Verwendung einer Kombination aus einer Powell-Linse und einem diffraktiven Strahlteiler bewirkt eine hohe Qualität von erzeugten Linien L sowie eine drastische Reduzierung einer Intensität in der 0. Beugungsordnung, so dass eine Erhöhung eines augensicheren Lichtbudgets um ein Vielfaches bewirkt wird. Use of a coded monochromatic line sequence advantageously effects a solution to the so-called correspondence problem. A monochromatic line sequence is diffractively projectable, resulting in significantly higher light efficiency, so that the cost of the light source 6 sink, very large areas of the measuring object O can be measured and / or comparatively much ambient light can be tolerated. A monochromatic projection allows the use of camera-side band-pass filters, which can additionally contribute to the elimination of ambient light. Using a combination of a Powell lens and a diffractive beam splitter results in a high quality of generated lines L and a drastic reduction of an intensity in the 0th diffraction order, so that an increase of an eye-safe light budget is effected by a multiple.

5b zeigt eine Draufsicht des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Projektion eines Messmusters gemäß 5a. Entsprechend sind in 5b die mittels insbesondere diffraktiver Projektion erzeugten Messlinien L sichtbar, die auf ein Messobjekt O projiziert werden können. Zusätzlich ist in 5b dargestellt, dass in einer vorteilhaften Ausführungsform sich hinter einem diffraktiven optischen Element DOE eine Einrichtung zur variablen Strahlumlenkung befinden kann, so dass Messmuster zur Erhöhung einer Datendichte im Raum verschoben werden können. 5b zeigt, dass nach den Mustererzeugungselementen ein Scan-Spiegel SM zur Bereitstellung einer derartigen Verschiebung positioniert wurde. 5b shows a plan view of the first embodiment of a device according to the invention for the projection of a measuring pattern according to 5a , Accordingly, in 5b the measurement lines L generated by means of particular diffractive projection, which can be projected onto a measuring object O visible. Additionally is in 5b illustrated that in an advantageous embodiment, a device for variable beam deflection can be located behind a diffractive optical element DOE, so that measurement patterns can be moved in space to increase a data density. 5b shows that after the pattern generating elements, a scanning mirror SM has been positioned to provide such displacement.

5c zeigt eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Projektion von Messmustern. Gemäß 5c sind zur Erzeugung einer Mustersequenz bzw. eines Gesamtmessmusters GM eine Mehrzahl von Laserprojektoren nebeneinander angeordnet. Dabei können die Laserprojektoren jeweils eine Einheit aus einem Laser, einem Liniengenerator und einem Strahlteiler sein. Diese Laserprojektoren können zur Erzeugung einer Mustersequenz bzw. eines Gesamtmusters GM sequentiell aktiviert und deaktiviert werden, so dass jeweils lediglich ein Laserprojektor aktiv ist. Zeitgleich kann mittels mindestens einer Kamera eine Bildaufnahme des jeweilig projizierten Musters, das beispielsweise ein Primärmuster P oder ein Sekundärmuster S1 oder S2 sein kann, auf dem Messobjekt O erzeugt werden. Die Laserprojektoren können mittels einer nicht dargestellten Steuereinrichtung sequentiell aktiviert und deaktiviert werden. Die Laserprojektoren können beliebig zueinander angeordnet sein. Eine lineare Anordnung der Projektoren parallel zum Verlauf der erzeugten Linien L der Muster ist jedoch besonders vorteilhaft, da dies die Zuordnung der Linien L wirksam erleichtert. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform können Laser verschiedener Wellenlängen verwendet werden. Bei einer entsprechenden Auslegung einer dazugehörigen Erfassungseinrichtung 3, die insbesondere eine Kamera, und zwar insbesondere eine Farbkamera sein kann, können auf diese Weise mehrere Muster bzw. gegebenenfalls alle Muster gleichzeitig projiziert, aufgenommen und getrennt ausgewertet werden. Besonders vorteilhaft ist eine Verwendung von Laser-Arrays mit je einer Linienoptik und einem diffraktiven Mehrfach-Strahlteiler, da eine leistungsfähige und lichteffiziente sowie kosteneffiziente Projektion von Mustersequenzen mit schnellen Projektionszyklen und Musterwechseln bereitgestellt werden kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zur Projektion einer Sequenz von Linien L lediglich eine Lichtquelle 6, die vorzugweise ein Laser sein kann, verwendet werden. Die Projektion der Sequenz von Linien L wird mittels einer steuerbaren und hier nicht dargestellten Einrichtung zum Wechsel selektiver Strahlteiler erzeugt. 5c shows a side view of a second embodiment of a device according to the invention for the projection of measurement patterns. According to 5c are a plurality of laser projectors arranged side by side to generate a pattern sequence or a total measurement pattern GM. In this case, the laser projectors can each be a unit of a laser, a line generator and a beam splitter. These laser projectors can be sequentially activated and deactivated to generate a pattern sequence or an overall pattern GM, so that in each case only one laser projector is active. At the same time, by means of at least one camera, an image recording of the respective projected pattern, which may be, for example, a primary pattern P or a secondary pattern S1 or S2, is generated on the measurement object O. The laser projectors can be sequentially activated and deactivated by means of a control device, not shown. The laser projectors can be arranged arbitrarily to each other. However, a linear arrangement of the projectors parallel to the course of the generated lines L of the patterns is particularly advantageous since this effectively facilitates the assignment of the lines L. According to an advantageous embodiment, lasers of different wavelengths can be used. With a corresponding design of an associated detection device 3 , which may be in particular a camera, in particular a color camera, in this way several patterns or possibly all patterns may be simultaneously projected, recorded and evaluated separately. Particularly advantageous is a use of laser arrays, each with a line optical system and a diffractive multiple beam splitter, since an efficient and light-efficient and cost-efficient projection of pattern sequences with fast projection cycles and pattern changes can be provided. According to a further embodiment, for projection of a sequence of lines L, only one light source can be used 6 , which may preferably be a laser, are used. The projection of the sequence of lines L is generated by means of a controllable device (not shown here) for changing selective beam splitters.

Alle beschriebenen Varianten von Mustersequenzen von Linien L sind geeignet, mittels diffraktiver Laserprojektion erzeugt zu werden, was die Projektion mittels refraktiven Techniken jedoch nicht ausschließt. Die diffraktive Laserprojektion hat folgende Vorteile. Eine signifikant höhere Lichteffizienz im Vergleich zu einer abbildenden oder absorptiven Projektion. Eine schmalbandig-monochromatische Projektion ermöglicht effektives Ausblenden von Umgebungslicht mittels kameraseitiger Bandpassfilter. Eine monochromatische Projektionswellenlänge kann in weiten Grenzen gewählt werden, und zwar ebenso zur unsichtbaren Nah-Infrarot-Projektion. Ein Aufbau einer Projektoreinrichtung 1 kann kosteneffizient und kompakt erfolgen. Die mittels einer Anordnung gemäß 5c erzeugten Muster können beispielsweise ein Primärmuster P, ein Sekundärmuster S1 sowie ein zweites Sekundärmuster S2 sein. All described variants of pattern sequences of lines L are suitable for being generated by means of diffractive laser projection, which, however, does not exclude the projection by means of refractive techniques. The diffractive laser projection has the following advantages. A significantly higher light efficiency compared to an imaging or absorptive projection. A narrow-band monochromatic projection allows effective hiding of ambient light by means of camera-side band-pass filters. A monochromatic one Projection wavelength can be chosen within wide limits, as well as the invisible near-infrared projection. A construction of a projector device 1 can be cost effective and compact. The means of an arrangement according to 5c For example, generated patterns may be a primary pattern P, a secondary pattern S1, and a second secondary pattern S2.

Eine technische Möglichkeit zur Erhöhung der Liniendichte liegt in der zeitlich aufeinanderfolgenden, sequentiellen Projektion mehrerer Messmuster. Die zeitliche Variation der Messmuster, beispielsweise mittels eines Scanspiegels SM gemäß 5b, bietet dann einen zusätzlichen Informationskanal für die Decodierung des Musters, so dass es gegebenenfalls möglich ist, die durch die Kameraauflösung begrenzte, maximal mögliche Punktdichte zu erreichen. A technical possibility for increasing the line density lies in the chronologically sequential, sequential projection of several measurement patterns. The temporal variation of the measurement patterns, for example by means of a scanning mirror SM according to 5b , then offers an additional information channel for the decoding of the pattern, so that it may be possible to achieve the maximum possible dot density limited by the camera resolution.

6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren dient zur Rekonstruktion einer Oberfläche eines Objektes O mittels einer strukturierten Beleuchtung, wobei folgende Schritte ausgeführt werden. Mit einem ersten Schritt Sr1 erfolgt ein diffraktives Projizieren von aus Messlinien L, bestehenden Messmustern auf die Oberfläche des Objekts, wobei die Projektoreinrichtung 1 eine Abfolge von aus Messlinien bestehenden Messmustern auf die Oberfläche des Objektes projiziert, wobei die Abfolge der Messmuster überlagert ein Gesamtmessmuster ausbildet, in dem alle möglichen Positionen von Messlinien in sich wiederholenden Fenstern dargestellt und zusammengefasst sind, in denen eine jeweilige Kombination von vorhandenen und/oder nicht vorhandenen Messlinien in einem Fenster den jeweiligen Ort im Gesamtmessmuster codiert. Mit einem zweiten Schritt Sr2 erfasst eine Erfassungseinrichtung 3 gleichzeitig zum Schritt Sr1 die Messmuster auf der Oberfläche des Objektes. Mit einem dritten Schritt Sr3 kann mittels einer Rechnereinrichtung die Oberfläche des Objektes aus einer jeweiligen Verzerrung des Gesamtmessmusters rekonstruiert werden. Als Rechenverfahren beziehungsweise als Verfahren zur Berechnung von 3D-Koordinaten eignet sich insbesondere die Triangulation.

[1] Forster, „Real-Time Range Imaging for Human-Machine Interfaces“, Dissertation an der Technischen Universität München, 2004 .
[2] Li Zhang, Brian Curless, and Steven M. Seitz, “Rapid shape acquisition using color structured light and multi-pass dynamic programming”, in the 1st IEEE International Symposium on 3D Data Processing, Visualization, and Transmission, pages 24–36, 2002 .
[3] Chen, “3-D shape measurement by composite pattern projection and hybrid processing”, College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, China, 2007 .
[4] Schmalz, Angelopoulou, “Robust Single-Shot Structured Light”, Siemens AG, München, Universität Erlangen, 2010 .

6 shows an embodiment of a method according to the invention. The method is used to reconstruct a surface of an object O by means of structured illumination, the following steps being carried out. With a first step Sr1, a diffractive projecting of measurement patterns L, existing measurement patterns on the surface of the object, wherein the projector device 1 projecting a sequence of measurement patterns consisting of measurement lines onto the surface of the object, the sequence of measurement patterns superimposed forming an overall measurement pattern in which all possible positions of measurement lines are represented and summarized in repeating windows in which a respective combination of existing and / or non-existent measurement lines encoded in a window the respective location in the overall measurement pattern. With a second step Sr2 detects a detection device 3 at the same time as step Sr1, the measurement patterns on the surface of the object. With a third step Sr3, the surface of the object can be reconstructed from a respective distortion of the overall measurement pattern by means of a computer device. Triangulation is particularly suitable as a calculation method or as a method for calculating 3D coordinates.

[1] Forster, "Real-Time Range Imaging for Human Machine Interfaces", dissertation at the Technical University of Munich, 2004 ,
[2] Li Zhang, Brian Curless, and Steven M. Seitz, "Rapid Shape Acquisition using Color Structured Light and Multi-pass Dynamic Programming," in the 1st IEEE International Symposium on 3D Data Processing, Visualization, and Transmission, pages 24-36, 2002 ,
[3] Chen, "3-D shape measurement by composite pattern projection and hybrid processing", College of Engineering, Beijing University, Beijing 100871, China, 2007 ,
[4] Schmalz, Angelopoulou, "Robust Single-Shot Structured Light", Siemens AG, Munich, University of Erlangen, 2010 ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 5548418 [0010]
US 7433024 B2 [0011]
WO 2007/043036 A1 [0012]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Forster, "Real-Time Range Imaging for Human-Machine Interfaces", Dissertation at the Technical University of Munich, 2004 [0074]
Li Zhang, Brian Curless, and Steven M. Seitz, "Rapid Shape Acquisition using Color Structured Light and Multi-pass Dynamic Programming," in the 1st IEEE International Symposium on 3D Data Processing, Visualization, and Transmission, pages 24-36, 2002 [0074]
Chen, "3-D shape measurement by composite pattern projection and hybrid processing", College of Engineering, Beijing University, Beijing 100871, China, 2007 [0074]
Schmalz, Angelopoulou, "Robust Single-Shot Structured Light", Siemens AG, Munich, University of Erlangen, 2010 [0074]

Claims

Method for reconstructing a surface of an object ( 0 ) by means of a structured illumination, in particular with laser light, by means of the following steps: - by means of at least one projector device ( 1 ) projecting an overall measurement pattern having measurement elements onto the surface of the object; By means of at least one detection device ( 3 ) detecting the total measurement pattern on the surface of the object; By means of a computer device ( 5 ), in particular triangulation, for reconstructing the surface of the object from a respective distortion of the overall measuring pattern, characterized in that the total measuring pattern (GM) has as an measuring element an order of measuring lines (L); in the overall measurement pattern (GM) all possible positions of measurement lines (L) are contained along the sequence of spatially repeating sections designated as windows (F), wherein in the windows (F) a respective combination of generated and / or non-generated measurement lines ( L) encodes the respective location in the overall measurement pattern (GM) in the overall measurement pattern (GM).

Method according to claim 1, characterized in that the at least one projector device ( 1 ) projects a plurality of measurement patterns (P, S1, S2) onto the surface of the object, wherein the measurement patterns (P, S1, S2) superimposed form the overall measurement pattern (GM).

Method according to claim 2, characterized in that the projector device ( 1 ) for distinguishing measurement patterns (P, S1, S2) projecting them in a temporal sequence.

Method according to claim 2 or 3, characterized in that the projector device ( 1 ) for distinguishing measurement patterns (P, S1, S2), these projected with mutually different wavelengths of light and in particular at the same time.

Method according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the projector device ( 1 ), the overall measurement pattern as a juxtaposition of spaced apart and mutually parallel measuring lines (L), in particular the same width and / or intensity generated.

Method according to claim 2, 3, 4 or 5, characterized in that the projector device ( 1 ) always generates all measuring lines (L) in at least one measuring pattern designated as a primary measuring pattern (P), in particular in the windows (F).

Method according to one of the preceding claims 2 to 6, characterized in that the projector device ( 1 ) generates three measurement patterns (P, S1, S2), wherein in each window (F) in one of the measurement patterns (P) of the overall measurement pattern (GM) a measurement line (L) is always generated and in the other two measurement patterns (S1, S2) in each case a maximum of one measuring line (L) is generated.

Method according to one of the preceding claims 1 to 7, characterized in that the projector device ( 1 ) within the plurality of windows (F) each forms only codes with a minimum number of generated measuring lines (L).

Method according to one of the preceding claims 1 to 8, characterized in that the projector device ( 1 ) projects in a window (F) a position as a word (W) consisting of a sequence of symbols created by a respective combination of generated and / or non-generated measurement lines (L).

Method according to claim 9, characterized in that the projector device ( 1 ) generates in the entirety of all adjacent windows (F) a symbol sequence along the order of the measurement lines (L).

Method according to claim 10, characterized in that the projector device ( 1 ) generates a word (W) within a symbol sequence or an overall measurement pattern (GM) only so often that the correspondence problem due to geometric conditions between the detection device ( 3 ) and projector device ( 1 ), in particular by means of Epipolargeometrie, is clearly solvable.

Method according to claim 10 or 11, characterized in that the projector device ( 1 ) the symbol sequence at a Hamming distance (h) of at least two generates an arbitrary word (W1) of any other word (W2) having at least two locations different symbols.

Method according to claim 10, 11 or 12, characterized in that the projector device ( 1 ) generates the symbol sequence with a Hamming distance (h) such that a respective word (W) is unique at a symbol length less than or equal to 4.

Method according to claim 10, 11 or 12, characterized in that the projector device ( 1 ) the symbol sequence with a Hamming distance (h) and a size of the windows (F) lines up so often that the correspondence problem due to geometric conditions between the detection device ( 3 ) and projector device ( 1 ), in particular by means of Epipolargeometrie, is clearly solvable.

Method according to claim 10, 11, 12, 13 or 14, characterized in that the projector device ( 1 ) generates the symbol sequence such that the occurrence of measurement lines (L) is axis or point symmetrical.

Method according to one of the preceding claims 1 to 15, characterized in that the projector device ( 1 ) to increase a measuring element density by means of rotationally or translatorily actuated components, in particular a scanning mirror (SM), a time-varying displacement of respective measurement patterns (P, S1, S2) to each other performs.

Device for the reconstruction of a surface of an object ( 0 ) by means of a structured illumination, in particular with laser light, comprising: - at least one projector device ( 1 ) for, in particular diffractive, projecting a measuring element having overall measuring pattern (GM) on the surface of the object; At least one detection device ( 3 ) for detecting the overall measurement pattern on the surface of the object; A computer device ( 5 ) for calculating, in particular triangulating, for reconstructing the surface of the object from a respective distortion of the overall measuring pattern (GM), characterized in that the total measuring pattern (GM) as measuring elements has a sequence of measuring lines (L); in the overall measurement pattern (GM) all possible positions of measurement lines (L) are contained along the sequence of spatially repeating sections designated as windows (F), wherein in the windows (F) a respective combination of generated and / or non-generated measurement lines ( L) encodes the respective location in the overall measurement pattern (GM) in the overall measurement pattern (GM).

Apparatus according to claim 17, characterized in that the at least one projector device ( 1 ) projects a plurality of measurement patterns (P, S1, S2) onto the surface of the object, wherein the measurement patterns (P, S1, S2) superimposed form the overall measurement pattern (GM).

Apparatus according to claim 18, characterized in that the projector device ( 1 ) for distinguishing measurement patterns (P, S1, S2) projecting them in a temporal sequence.

Device according to claim 18 or 19, characterized in that the projector device ( 1 ) for distinguishing measurement patterns (P, S1, S2), these projected with mutually different wavelengths of light and in particular at the same time.

Apparatus according to claim 17, 18, 19 or 20, characterized in that the projector device ( 1 ), the overall measurement pattern as a juxtaposition of spaced apart and mutually parallel measuring lines (L), in particular the same width and / or intensity generated.

Apparatus according to claim 18, 19, 20 or 21, characterized in that the projector device ( 1 ) always generates all measuring lines (L) in at least one measuring pattern designated as a primary measuring pattern (P), in particular in the windows (F).

Device according to one of the preceding claims 18 to 22, characterized in that the projector device ( 1 ) generates three measurement patterns (P, S1, S2), wherein in each window (F) in one of the measurement patterns (P) of the overall measurement pattern (GM) a measurement line (L) is always generated and in the other two measurement patterns (S1, S2) in each case a maximum of one measuring line (L) is generated.

Device according to one of the preceding claims 17 to 23, characterized in that the projector device ( 1 ) within the plurality of windows (F) each forms only codes with a minimum number of generated measuring lines (L).

Device according to one of the preceding claims 17 to 24, characterized in that the projector means ( 1 ) projects in a window (F) a position as a word (W) consisting of a sequence of symbols created by a respective combination of generated and / or non-generated measurement lines (L).

Apparatus according to claim 25, characterized in that the projector device ( 1 ) generates in the entirety of all adjacent windows (F) a symbol sequence along the order of the measurement lines (L).

Apparatus according to claim 26, characterized in that the projector device ( 1 ) generates a word (W) within a symbol sequence or an overall measurement pattern (GM) only so often that the correspondence problem due to geometric conditions between the detection device ( 3 ) and projector device ( 1 ), in particular by means of Epipolargeometrie, is clearly solvable.

Apparatus according to claim 25, 26 or 27, characterized in that the projector device ( 1 ) at a Hamming distance (h) of at least two an arbitrary word (W1) of any other word (W2) in at least two places different symbols generated.

Apparatus according to claim 26, 27 or 28, characterized in that the projector device ( 1 ) generates the symbol sequence with a Hamming distance (h) such that a respective word (W) is unique at a symbol length less than or equal to 4.

Apparatus according to claim 26, 27, 28 or 29, characterized in that the projector device ( 1 ) the symbol sequence with a Hamming distance (h) and a size of the windows (F) lines up so often that the correspondence problem due to geometric conditions between the detection device ( 3 ) and projector device ( 1 ), in particular by means of Epipolargeometrie, is clearly solvable.

Device according to claim 26, 27, 28, 29 or 30, characterized in that the projector device ( 1 ) generates the symbol sequence such that the occurrence of measurement lines (L) is axis or point symmetrical.

Device according to one of the preceding claims 17 to 31, characterized in that the projector device ( 1 ) to increase a measuring element density by means of a temporally varying mutually executed displacement of respective measurement patterns (GM, P, S1, S2) rotationally or translatorisch actuated components, in particular a scanning mirror (SM), has, so that in particular measurement patterns are moved in space.

Device according to one of the preceding claims 17 to 32, characterized in that the projector device ( 1 ) for each of measurement lines (L) existing measurement pattern (GM, P, S1, S2) spatially separated in each case a light source ( 6 ), in particular a laser, and a measuring line (L) generating optics ( 7 ) and a diffractive optical element (DOE) or a measuring line (L) generating diffractive optical element (DOE).

Apparatus according to claim 33, characterized in that the projector device ( 1 ), in particular along the measuring lines (L), a linear arrangement, a plurality of in each case a light source ( 6 ) and a measuring line (L) generating optics ( 7 ) and a diffractive optical element (DOE) or a measuring line (L) generating diffractive optical element (DOE) having projectors.

Device according to one of the preceding claims 17 to 32, characterized in that the projector device ( 1 ) for all measuring patterns (L) measuring patterns (GM, P, S1, S2) a light source ( 6 ), in particular a laser, and a device for exchanging a plurality of line-generating optics ( 7 ) and diffractive optical elements (DOE) and / or a plurality of measuring lines (L) generating diffractive optical elements (DOE).

Device according to claim 33, 34 or 35, characterized in that the light source (s) ( 6 ) have a temperature control (s).

Apparatus according to claim 34 or 36, characterized in that the light sources ( 6 ) each emit a wavelength with mutually different wavelengths and the detection devices ( 3 ) Color cameras are.