So funktioniert die Streifenprojektion – Structured Light

Um dreidimensionale Oberflächen zu erfassen, werden bei dieser optischen Messmethode die Bildsequenzen in Streifen unterschiedlicher Breite dargestellt.

Das Modell wird mit einer digitalen Videokamera aufgenommen und der Streifenprojektionssensor, den man sich wie einen Diaprojektor vorstellen kann, beleuchtet das Modell, wobei ein Muster von parallel zueinander liegenden hellen und dunklen Streifen in schneller Zeitfolge und unterschiedlicher Breite von der Kamera erfasst wird.
Jedes einzelne Streifenmuster wird mit der Kamera aufgenommen und aus den verschiedenen Bildpunkten setzt sich somit eine Zeitfolge von unterschiedlichen Helligkeitswerten zusammen. Um Zeit zu sparen werden für kommerzielle Zwecke in der Regel zwei Kameras benutzt.

Um ein dreidimensionales Objekt zu gestalten werden die Koordinaten in zwei Schritten berechnet.

Aus dem Kamerabild sind durch die gegebenen Objektpunkte die Koordinaten bekannt und da der Projektor wie eine umgekehrte Kamera funktioniert, wird jeder Helligkeitswert gemessen, der aus jedem Kamerapunkt der Bildsequenz entsteht. Der Binär- oder Gray-Code des Lichtstreifens wird als Koordinate im Projektor gekennzeichnet, was im einfachsten Fall ausreicht. Möchte man eine höhere Genauigkeit erreichen, kann man das mit dem Phasenschiebeverfahren durchführen, welches zusätzlich zum Gray-Code oder als alleiniges messendes Heterodynverfahren durchgeführt wird.

Um die gesuchte dreidimensionale Koordinate zu erfassen, braucht man die Streifennummer des Projektors aus der Lichtebene und die Bildkoordinate des Lichtstrahls der Kamera. Hierdurch berechnet sich der Schnittpunkt der Ebene und der Geraden die dadurch als 3D-Koordinate des Objektpunktes erfasst wird. Für den Vorwärtsschnitt muss deshalb die exakte Berechnung vorausgegangen sein.

Um ein detailgetreues Ergebnis zu bekommen ist die Berechnung der Koordinaten äußerst wichtig und deshalb sollte die Kalibrierung präziese durchgeführt werden. Ein mathematisches Modell dient dazu alle Abbildungseigenschaften der Kamera und der Projektoren zu beschreiben.

Als Grundlage kann man eine Lochkamera zum Einsatz bringen, die das Licht in einer Geraden bündelt uns so den Bildpunkt festlegt. Die nicht idealen Bildeigenschaften müssen durch eine Verzeichniskorrektur angepasst werden. Durch die Bündelausgleichsrechnung sollten die Parameter der Lochkamera von Lage und Orientierung im Raum mit einer Serie von Kalibrierungsaufnahmen bestimmt werden.

Würde man nur eine einzige Messung mit dem Streifenprojektionssensor durchführen, wäre es keine vollständige Messung, denn jeder Punkt der Oberfläche muss vom Projektor beleuchtet und dabei von der Kamera beobachtet werden.
Zur Gestaltung der Rückseite des Objektes braucht der Sensor einen anderen Blickwinkel und so sind einige hundert Einzelmessungen für die komplette Ausmessung nötig. Die Ergebnisse der kompletten Datenerfassung werden in ein ein gemeinsames Koordinatensystem zusammengeführt, welches durch anbringen von punktförmigen Markern auf dem Objekt, dem Matching oder mittels einem zusätzlichen Messsystem, der Navigation geschieht.

Dabei setzt sich die erreichbare Genauigkeit der Messung proportional zur dritten Wurzel des Messvolumens zusammen.
Im Reverse Engineering Bereich, der hauptsächlich für kommerziell genutzte Systeme zum Einsatz kommt, kann eine Messgenauigkeit von 0,003 mm bis 0,3 mm erreicht werden. Das hängt vom technischem Aufwand und des Messvolumens ab. Ein System mit mikroskopischen Messfeldern, die unter 1 cm² liegen, berechnet die Daten für Mikrogeometrie-Objekte wie einen Radius von Schneidkanten mit einer Messgenauigkeit von unter 1 µm.

Anwendungsbereiche der Streifenprojektionssensoren für äußerst genaue Ergebnisse sind meist aus den Bereichen der Medizin, der Zahntechnik oder der Pathologie. Ebenso ist es für den Industriebereich, bei der Entwicklung von Design-Objekten oder im Soll-ist-Vergleich von Werkzeugen und Werstücken als Formkontrolle sehr wichtig millimetergenaue Ergebnisse zu errechnen. Laut geschätztem Stand vom April 2005 sind in Deutschland mehrere tausend Systeme installiert und werden in der Automobil- und Flugzeugindustrie bevorzugt gegenüber der mechanischen Koordinatenmessung eingesetzt.

Selbst in der Kriminaltechnik wird in der heutigen Zeit der Tatort mit einem Streifenlichtscanner dreidimensional abgetastet um ein 3D-Bild davon zu erstellen. Dadurch braucht die polizeiliche Spurensuche nicht am original Tatort durchgeführt werden und es können keine Beweismittel verfälscht oder vernichtet werden. Fußabdrücke, die früher in Gips ausgegossen wurden, können auf diese Weise berührungslos und beliebig oft vervielfältigt werden.

Ein gutes Beispiel für die Nachkonstruktion eines historischen Rennwagens ist der Silberpfeil W196 aus dem Baujahr 1954. Der Reverse-Engineering-Prozess umfasste 14 Std. Messzeit und benötigte eine Punktewolke von 98 Millionen Messpunkten. Um das Verfahren zu reduzieren machte man achsparallele Schnitte im Abstand von zwei Zentimetern und brauchte somit “nur” ca. 80 Arbeitsstunden. Das fertige CAD-Modell wurde als Basis für den Nachbau 1:1 umgesetzt und heute kann man das 3D-Modell im Mercedes-Benz Museum in Stuttgart-Untertürkheim besichtigen.

Die metrisch exakte Darstellung einer Wunde ist durch angewandte Streifenlichttopometrie kein Problem und hat sich in der Gerichtsmedizin gegenüber anderen Verfahren durchgesetzt. Die Darstellung mit realistischen Farben von einzelnen relevanten Punkte können auf diese Art verschiedene Verletzungen kenntlich machen. Dadurch ist eine Objektivierung der äußeren Leichenschau als digitaler Wundenmensch eine große Arbeitserleichterung.

iGo3D, der deutsche Fachhandel für 3D Drucker und 3D Scanner, vertreibt den DAVID Laserscanner SLS1. Er ist für 1993,25 EUR über den Onlineshop (Partnerlink) zu beziehen.

iGo3D

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind markiert *