Title:
Vorrichtung und Verfahren zum berührungslosen Erfassen eines dreidimensionalen Objektes
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen eines dreidimensionalen Objekts umfassend einen Objektträger (12), wenigstens eine Bilderfassungsvorrichtung (16), wobei die Vorrichtung ausgelegt ist, mittels der Bilderfassungsvorrichtung (16) eine Vielzahl von Abbildungen eines zu erfassenden Objekts (26) unter unterschiedlichen Winkeln zu erfassen, wobei der Objektträger (12) einen offenen Behälter (16) umfasst, der mit Granulat (22) gefüllt ist.





Inventors:
gleich Anmelder
Application Number:
DE102016108289A
Publication Date:
11/09/2017
Filing Date:
05/04/2016
Assignee:
Knerr, Hans-Martin, 66953 (DE)
International Classes:
G01C11/06; G01B11/24; G03B15/00
Domestic Patent References:
DE202014009224U1N/A2015-03-26
DE102008019435A1N/A2009-10-29
DE19940719C1N/A2001-06-13
Attorney, Agent or Firm:
Patentanwälte Dr. Keller, Schwertfeger, 76829, Landau, DE
Claims:
1. Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen eines dreidimensionalen Objekts umfassend einen Objektträger (12),
wenigstens eine Bilderfassungsvorrichtung (16),
wobei die Vorrichtung ausgelegt ist, mittels der Bilderfassungsvorrichtung (16) eine Vielzahl von Abbildungen eines zu erfassenden Objekts (26) unter unterschiedlichen Winkeln zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass der Objektträger (12) einen offenen Behälter (16) umfasst, der mit Granulat (22) gefüllt ist.

2. Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen eines dreidimensionalen Objekts nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat (22) eine mittlere Korngröße von weniger als 2 mm aufweisen.

3. Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen eines dreidimensionalen Objekts nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat (22) Sand ist.

4. Vorrichtung zum Erfassen eines dreidimensionalen Objekts nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Objektträger (12) eine Längsachse (14) aufweist und der Objektträger (12) und/oder die wenigstens eine Bilderfassungsvorrichtung (16) schrittweise um die Längsachse (14) des Objektträgers (12) drehbar sind.

5. Vorrichtung zum Erfassen eines dreidimensionalen Objekts nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Bilderfassungsvorrichtungen (16) vorgesehen sind, die in einem vorgegebenen Abstand um den Objektträger (12) angeordnet sind.

6. Verfahren zum Erfassen eines dreidimensionale Objekts mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:
Positionieren des zu vermessenden dreidimensionalen Objekts (26) auf dem Granulat (22) des Behälters (16);
Befestigen des zu vermessenden Objekts in dem Granulat (20) mittels des Granulats (22);
Erfassen einer Vielzahl von Abbildungen eines aus dem Granulat (22) herausragenden Abschnitts des Objektes (26) unter verschiedenen Winkeln.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zu vermessende dreidimensionale Objekt (26) abschnittsweise in das Granulat (22) eingebettet wird.

8. Verfahren zum Erfassen eines dreidimensionalen Objekts nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwei benachbarte Abbildungen überlappen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zu vermessende Objekt (26) in Winkelschritten von weniger als 10°, vorzugsweise in Winkelschritten von 5° erfasst wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt des Zuschneidens der erfassten Abbildungen umfasst.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt umfasst: Versehen einer erfassten Abbildung mit Bildraumkoordinaten.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erfasste Objekt (22) in Form eine Punktewolke dargestellt wird und die Punktewolke verdichtet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Punkte der Punktewolke zur Ausbildung von Flächenelementen miteinander verbunden werden.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum berührungslosen Erfassen eines dreidimensionalen Objektes.

Üblicherweise wird zum berührungslosen Erfassung eines dreidimensionalen Objektes ein Objekt auf einen Objektträgertisch gelegt oder in einem Objektträger befestigt, insbesondere eingespannt, und das Objekt unter verschiedenen Winkel erfasst.

Anschließend wird der Objektträger um seine Achse oder eine Kamera um den Objektträger gedreht. Während des Drehvorgangs werden in vorbestimmten Abständen Bilder von dem Objekt erzeugt, so dass eine Serie von Bildern vorliegt, die das Objekt in verschiedenen Ansichten zeigt. Alternativ kann eine Vielzahl von Kameras um das Objekt herum gruppiert sein, um das zu erfassende Objekt unter verschiedenen Winkeln abzubilden.

Die Vielzahl der erhaltenen Bilder wird gezielt zusammengesetzt und aus den Bildern wird das Objekt extrahiert.

Diese bekannten Verfahren eignen sich, um nicht verformbare Objekte bzw. um verformbare Objekte in einer stabilen Lage zu erfassen.

Für den Fall, dass verformbare Objekte in einer instabilen Lage erfasst werden sollen, besteht das Problem, dass das Objekt von einem Objektträger gehalten werden muss. Hierbei besteht die Gefahr, dass das Objekt in dem Objektträger verformt wird und das Objekt somit nicht mehr in der ursprünglich entspannten Form in dem Objektträger gehalten wird.

Darüber hinaus besteht der Wunsch, eine Vielzahl von Objekten unterschiedlichster Kontur zu erfassen. Bei nicht stabil stehenden Objekten besteht hierbei die Notwendigkeit, eine Vielzahl unterschiedlicher Halterungen bereitzustellen, um das Objekt während des Erfassungsvorgangs sicher zu halten.

Insbesondere sind die bisherigen Halterungen eines Objektträgers ungeeignet, um beispielsweise einen Schuh einzuspannen und diesen in allen Lagen dreidimensional zu erfassen.

Darüber hinaus bedecken Halterungen häufig Teile des zu erfassenden Objekts, so dass das Objekt nicht vollständig erfasst werden kann.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen eines dreidimensionalen Objektes, insbesondere eines Schuhs bereitzustellen, welche es ermöglicht, das Objekt in seiner unveränderten, insbesondere entspannten Form von allen Seiten rundherum erfassen zu können.

Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, mit dessen Hilfe ein dreidimensionales Objekt in unveränderter, insbesondere entspannter Form in eine dreidimensionale Abbildung überführt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen eines dreidimensionalen Objekts umfassend einen Objektträger, wenigstens eine Bilderfassungsvorrichtung, wobei die Vorrichtung ausgelegt ist, mittels der Bilderfassungsvorrichtung eine Vielzahl von Abbildungen eines zu erfassenden Objekts unter unterschiedlichen Winkeln zu erfassen, und wobei der Objektträger einen offenen Behälter umfasst, der mit Granulat gefüllt ist.

Das Granulat dient als Halterung für ein zu erfassendes Objekt.

Das Granulat hat den Vorteil, dass es sich an die Kontur eines Objektes anschmiegt und dieses sicher hält, jedoch nicht die Kontur des Objekts nachhaltig beeinflusst, insbesondere verformt. Das zu erfassende Objekt kann somit zerstörungsfrei und ohne nachhaltige Verformung gehalten werden. Ein Objekt kann von daher mehrmals in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung befestigt werden, um es beispielsweise in verschiedenen Lagen zu erfassen.

Weiterhin kann das Objekt in das Granulat eingesteckt werden, so dass der Teil des Objekts, der aus dem Granulat herausragt, verformungsfrei bzw. spannungsfrei von einer Bilderfassungsvorrichtung erfassbar ist.

Weiterhin ist das Granulat wiederverwendbar und an eine Vielzahl unterschiedlicher Konturen von Objekten anpassbar.

Das Objekt kann schließlich einseitig gehalten werden, so dass ein vergleichsweise großer Abschnitt des Objekts von einer Bilderfassungsvorrichtung erfasst werden kann.

Es ist insbesondere von Vorteil, wenn das Granulat eine mittlere Korngröße von weniger als 2 mm aufweist. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Sand erwiesen.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen eines dreidimensionalen Objekts, weist der Objektträger eine Längsachse auf und der Objektträger und/oder die Bilderfassungsvorrichtung sind schrittweise um die Längsachse des Objektträgers drehbar.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen eines dreidimensionalen Objekts ist eine Vielzahl von Kameras vorgesehen, die in einem vorgegebenen Abstand um den Objektträger angeordnet sind.

Beiden Ausführungsformen ist es gemeinsam, dass eine Vielzahl von Abbildungen eines zu erfassenden Objekts aus unterschiedlichen Winkeln erhalten werden kann.

Inhalt der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zum Erfassen eines dreidimensionalen Objektes mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Positionieren des zu vermessenden dreidimensionalen Objekts auf dem in dem Behälter befindlichen Granulat; Befestigen des zu vermessenden Objekts in dem Granulat mittels des Granulats und Erfassen einer Vielzahl von Abbildungen eines aus dem Granulat herausragenden Abschnitts des Objektes unter verschiedenen Winkeln.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich ein Objekt unverformt insbesondere unverspannt auf dem Objektträger befestigen, so dass von dem Objekt entsprechende Abbildungen erstellt werden können.

Beispielsweise kann ein stabil stehendes Objekt auf eine im Wesentlichen begradigte oder geglättete Granulatfläche gelegt werden.

Im Rahmen der Erfindung wird das Auflegen eines Objekts auf eine entsprechend geformte beispielsweise begradigte oder geglättete Granulatfläche auch als Befestigen des zu vermessenden Objekts in dem Granulat angesehen.

Bei nicht standfesten Objekten ist es von Vorteil, wenn das zu erfassende dreidimensionale Objekt zumindest abstandsweise in das Granulat eingebettet wird. Hierdurch kann es in die gewünschte Position gebracht werden und der aus dem Granulat herausragende Abschnitt kann von einer Bilderfassungsvorrichtung unverformt bzw. spannungsfrei erfasst werden.

Vorzugsweise überlappen sich zwei benachbarte Abbildungen, um sicherzustellen, dass jede Stelle des Objekts mittels der wenigstens einen Bilderfassungsvorrichtung erfasst wird.

Es ist von Vorteil, dass das zu vermessende Objekt in Winkelschritten von weniger als 10°, vorzugsweise in Winkelschritten von 5° erfasst wird, um eine gute Überlappung der erfassten Abbildungen zu erhalten.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Verfahren den Schritt des Zuschneidens der erfassten Abbildungen umfasst. Dieser Schritt ist insbesondere dann erforderlich, wenn das Objekt abschnittsweise in das Granulat eingebettet ist. Bei diesem Schritt, wird der Bildausschnitt, auf dem der Behälter und/oder das Granulat zu sehen ist, weggeschnitten, so dass in dem bearbeiteten Bild nur das Objekt selbst dargestellt ist.

Bei einem weiteren Schritt des Verfahrens ist vorgesehen, dass die erfassten Bilder mit Bildraumkoordinaten versehen werden, um die Abbildungen in einem 3-D-Koordinatensystem darzustellen.

In dem nachfolgenden Schritt wird das erfasste Objekt in Form einer Punktewolke dargestellt und kann gegebenenfalls verdichtet werden.

In einem weiteren Schritt ist vorgesehen, dass die Punkte der Punktewolke zur Ausbildung von Flächenelementen miteinander verbunden werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen eines dreidimensionalen Objekts in Draufsicht,

2 einen Objektträger,

3 ein Objekt auf dem Objektträger in einer ersten Aufnahmeposition,

4 ein Objekt auf dem Objektträger in einer zweiten Aufnahmeposition,

5 ein Objekt auf dem Objektträger in einer dritten Aufnahmeposition,

6 eine Vielzahl von Serien geschnittener Abbildungen,

7 Anordnen der erfassten Bilder in einem dreidimensionalen Raum,

8 eine Punktewolke,

9 ein mit Hilfe von Flächenelementen dargestellte Objekt.

1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum berührungslosen Erfassen eines dreidimensionalen Objektes, umfassend einen Objektträger 12 mit einer Längsachse 14, eine Bilderfassungsvorrichtung in Form einer Digitalkamera 16 und einen oben offenen Behälter 18. Der oben offene Behälter 18 ist Bestandteil des Objektträgers 12 und auf einer Ablagefläche des Objektträgers so angeordnet, dass die Längsachse des Behälters innerhalb eines vorgegebenen Radius um die Längsachse des Objektträgertisches parallel zu der Längsachse des Objektträgertisches angeordnet ist. Ein zu erfassendes Objekt wird auf den Behälter 18 gelegt oder auf diesem gefestigt.

Die Kamera 16 wird im Wesentlichen auf einer Kreisbahn um die Längsachse des Objektträgers 12 schrittweise gedreht und hat während eines vollständigen Umlaufs um das Objekt im Wesentlichen immer den gleichen Abstand. Um die Kamera 16 bezüglich des Objektträgers zu positionieren, sind Markierungen 20 vorgesehen. In der dargestellten Ausführungsform sind aus Gründen der Anschaulichkeit nur vier Markierungen 20 gezeigt. Die Kamera 16 wird vorzugsweise in Winkelschritten von weniger als 10°, idealerweise in Winkelschritten von 5° gedreht. In jeder Winkelposition erfasst die Kamera 16 eine Abbildung des zu erfassenden Objekts.

2 zeigt den Objektträger 12 mit einem im Wesentlichen zylindrischen Behälter 18. Der Behälter 18 ist mit einem Granulat 22 fast randvoll gefüllt.

Bei dem Granulat handelt es sich um Sand. Es sind auch andere Materialien einsetzbar, die vorzugsweise eine mittlere Korngröße von weniger als 2 mm aufweisen.

Die Größe und die Art des Behälters 18 sind an die Größe des zu erfassenden Objekts anpassbar. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Behälter 18 oben offen, um ein Objekt einfach auf der Granulatfläche 22 positionieren zu können.

Der Objektträger 12 umfasst einen kreisförmigen Trägertisch 24. Am Umfang des kreisförmigen Trägertisches 24 befindet sich eine Vielzahl von Markierungen 20, die in der dargestellten Ausführungsform von Schrauben gebildet werden. Als Markierungen kann jede Art von Markierung eingesetzt werden, die geeignet ist, die Position der Kamera 16 bezüglich des Objektträgers reproduzierbar einzustellen. So sind neben Schrauben beispielsweise auch Stifte, Einkerbungen, Farbmarken verwendbar.

Der zylindrische Behälter 18 ist im Wesentlichen mittig auf dem Trägertisch 24 positioniert.

3 zeigt eine Seitenansicht des Behälters 18 mit einem Objekt. Bei dem Objekt handelt es sich um einen Schuh 26. Der Schuh 26 steht hier stellvertretend für ein verformbares, instabiles oder labiles Objekt. Der Schuh 26 liegt mit seiner Seitenfläche auf dem Granulat 22 auf. Da der Schuh 26 in dieser Position stabil liegt, liegt er im Wesentlichen auf dem Granulat 22 auf.

4 zeigt das Objekt, nämlich den Schuh 26 auf dem Behälter 18. Der Schuh 26 ist mit seiner Spitze in den Sand eingeführt, so dass dieser sicher in der gewünschten aufrechten Position gehalten wird. Der aus dem Granulat 22 herausragende Abschnitt des Schuhs 26 zeigt keinerlei Verformung.

In 5 ist der Schuh 26 mit seinem Fersenteil in das Granulat 22 eingeführt, so dass die Schuhspitze nach oben aus dem Behälter 18 hinausragt. Der Schuh 26 kann nun in dieser senkrechten Position verformungs- und spannungsfrei gehalten werden.

Allen Darstellungen ist gemeinsam, dass der Schuh 26 nur einseitig gehalten wird.

6 zeigt Auszüge mehrerer Serien von Abbildungen, die mittels der Kamera 16 aufgenommen wurden, wobei es sich bei einer Serie um Abbildungen eines Schuhs in einer vorgegebenen Lage des Schuhs aus unterschiedlichen Winkeln handelt. Die einzelnen Serien unterscheiden sich in der Lage des Schuhs.

Die einzelnen Bilder sind bereits geschnitten, so dass nur der eigentliche Schuh erkennbar ist. Die Bildbestandteile, die den Behälter 18 zeigen, wurden mittels Bildbearbeitung abgeschnitten.

Bei dem Verfahren zur Erfassung eines dreidimensionalen Objekts mittels der in 1 dargestellten Vorrichtung wird somit zunächst das dreidimensionale Objekt, hier in Form eines Schuhs 26, auf dem Granulat 22 positioniert und gegebenenfalls in dem Granulat 22 mittels des Granulats 22 befestigt. Hierbei wird das dreidimensionale Objekt so tief in das Granulat 22 eingeführt, bis es in der gewünschten Position stabil steht.

Danach wird die Kamera 16 positioniert und eine Abbildung des Schuhs 26 erstellt. Die Kamera wird anschließend um einen entsprechenden Winkel um den Schuh 26 gedreht. In der neuen Position wird wiederum eine Abbildung des Schuhs 26 erstellt. Der Winkel, um den die Kamera 16 gedreht wird, wird so gewählt, dass sich die Abbildungen des Schuhs 26 in zwei benachbarten Positionen teilweise überlappen.

Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die Kamera 16 wieder an ihren Ausgangspunkt zurückkommt. Da sich die Kamera 16 auf einer Kreisbahn bewegt, werden die Außenseiten des Schuhs 26 in einer Schnittebene des Schuhs 26 rundum erfasst.

Dieser Vorgang wird mit anderen Schuhlagen wiederholt. Es entstehen mehrere Serien von Abbildungen der Außenseite des Schuhs 26 in Form von Schnitten, die die Außenseite des Schuhs 26 rundum darstellen. Die Abbildungen des Schuhs 26 einer Serie überlappen sich hierbei auch teilweise mit den Abbildungen des Schuhs 26 einer anderen Serie.

Die überlappende Erfassung der einzelnen Abbildungen des Schuhs 26 stellt sicher, dass jede Stelle des Schuhs 26 mittels der Kamera 16 erfasst wird.

Die Lage des Schuhs 26 wird so lange verändert, bis der gesamte Schuh 26 von allen Seiten rundherum erfasst ist.

Bei Abbildungsserien, bei denen der Schuh 26 teilweise in das Granulat 22 eingetaucht ist, werden die erfassten Abbildungen so bearbeitet, dass der Behälter 18 mit dem Granulat 22 aus der Abbildung herausgeschnitten wird.

Wie 7 zeigt, werden die Serien der erhaltenen Abbildungen in einem dreidimensionalen Raum angeordnet. Die einzelnen Abbildungen werden mit Bildraumkoordinaten versehen, so dass, wie in 8 dargestellt, eine Punktewolke des zu erfassenden Objekts entsteht.

Im nächsten Schritt werden die Punkte verdichtet und schließlich miteinander verbunden, so dass ein Flächengebilde entsteht. Das so gewonnene dreidimensional abgebildete Objekt steht nun der weiteren Verarbeitung zur Verfügung.

Bei der dargestellten Ausführungsform wird die Kamera 16 senkrecht zur Längsachse des Objektträgeres 12 um die Längsachse 14 des Objektträgers 12 gedreht. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass die Kamera 16 auf einer anderen Ebene um den Objektträger 12 gedreht wird. So kann die Ebene, auf der die Kamera 16 um das Objekt bzw. den Objektträger 12 geführt wird, schräg oder sogar parallel zu der Längsachse 14 des Objektträgers 12 stehen.

Wenn auch nicht dargestellt, so kann alternativ der Objektträger mit dem Behälter drehbar ausgebildet und die Kamera stationär angeordnet sein.

Bei einer ebenfalls nicht dargestellten Ausführungsform können sowohl die Kamera als auch der Objektträger drehbar ausgebildet sein.

Weiterhin ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch eine Anordnung erfasst, bei der eine Vielzahl von Kameras vorgesehen sind, die ein auf dem Objektträger befindliches Objekt aus unterschiedlichen Winkeln erfasst. Zusätzlich können die Kameras und/oder der Objektträger drehbar ausgebildet sein.