Titel:
Genauigkeitsuntersuchung eines 3D-Infrarot-Streifenprojektionssystems
Betreuer:
Dr.-Ing. Patrick Westfeld, Dr. Ernst Wiedenmann (Aimess Services GmbH)
Beschreibung:
Streifenprojektionssysteme sind für eine dreidimensionale Erfassung von Objektoberflächen geeignet und haben sich in der industriellen Messtechnik etabliert. Zum Nachteil der optischen Verfahren gehören die Abhängigkeit von der Sichtbarkeit der zu rekonstruierenden Objektoberfläche sowie der Einfluss des Reflexionsverhaltens der Fläche bei der Beleuchtung und Beobachtung. Bisherige Systeme haben große Schwierigkeiten sowohl mit stark glänzenden als auch mit sehr dunklen Oberflächen. Im sichtbaren Lichtspektrum transparente Materialien können gar nicht vermessen werden.
Um eine Lösung für die genannten Probleme zu finden, wurde von der Firma Aimess Services GmbH ein flächenhaft antastendes Messsystem entwickelt, welches das Prinzip der Energieumwandlung nutzt.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Infrarot-3D-Scanner „R3Dscan“ (Abb. 1) der untersucht. Das für die Messungen verwendete System war der Prototyp der zweiten Generation.
Die bisher gebräuchlichen Verfahren basieren auf der Reflexion elektromagnetischer Strahlung. Die physikalischen Grundlagen des Messprozesses kann in drei Schritte unterteilt werden. Typischerweise wird Licht von einem Projektor emittiert, von der Objektoberfläche reflektierte und mit einer Kamera detektiert. Bei 3D Scannern muss in der Regel eine diffuse Reflexion stattfinden, um Strahlung detektieren zu können.
Um eine alternative Energieübertragung zu verwenden, gibt es nur zwei Möglichkeiten der Absorption oder der Transmission. Wie in Abb. 2 zu sehen ist, wird in der flächenhaft strukturierten Projektion erstmalig das physikalische Prinzip der Energieumwandlung eingesetzt. Dabei ist I0 die Intensität der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung. IR, IA, und IT sind die reflektierte, absorbierte bzw. die transmittierte Intensität. Da die meisten Objekte intransparent für langwellige Infrarotstrahlung sind, gibt es eine ausreichende Absorption in der Oberfläche. Da das projizierte Infrarotlicht absorbiert und in Wärme umgewandelt wird, wird als Detektor eine Infrarot-Kamera eingesetzt um das projizierte Wärmemuster auf der Oberfläche zu erfassen.
Die Zielsetzung der Arbeit war die Untersuchung der Auswirkung einzelner Systemparameter auf die Genauigkeit der Systemkalibrierung und auf das Messergebnis selbst, im Hinblick auf eine mögliche Optimierung der Systemparameter. Die erreichbare Messgenauigkeit sollte dabei anhand aussagekräftiger Kenngrößen eingeschätzt werden.
Zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Messgeräten ist ein wichtiger Punkt die erzielbare Messunsicherheit der damit gewonnenen Messergebnisse. Deshalb wurden für weit verbreitete Messsysteme Regelwerke geschaffen, die eine Vergleichbarkeit verschiedener Systeme erlauben. Im Bereich der optischen 3D Messsysteme mit flächenhafter Antastung gibt es hierzu das Blatt 2 der VDI/VDE Richtlinie 2634. Diese etabliert sich immer weiter am Markt und wird zukünftig die Grundlage von Systemabnahmen beim Kunden werden.
Das untersuchte 3D-Infrarot-Streifenprojektionssystem nutzt das Prinzip der Streifenlichtprojektion. Es wird der sogenannte 4-Buckets-Algorithmus eingesetzt, um die Phase zu berechnen. Die Vorteile dieses Algorithmus sind die mögliche Genauigkeit und die separate Berechnung eines 3D Punktes für jeden Kamerapixel. Daher führt die im Vergleich zu optischen Kameras reduzierte Pixelanzahl von Infrarot-Kameras zu keiner weiteren Reduktion der räumlichen Auflösung. Für jedes Kamerapixel berechnet sich die Phase aus den Intensitäten der vier Phasen-Bilder. Wie in Abb. 3 dargestellt liefert dieser Algorithmus Phasen nur mit einer 2? Periodizität. Um das so genannte Korrespondenzproblem zu lösen, wurde vom Fraunhofer Institut (IFF) aus Magdeburg einen Algorithmus entwickelt, der von einem Phasen-Schiebe-Verfahren mit Mustern verschiedene Perioden ausgeht.
Anhand von Messungen mit Variationen ausgewählter Systemparameter die nach den Kenngrößen der der Richtlinie VDI/VDE 2634 beurteilt wurden, konnten Einflüsse sichtbar gemacht werden, welche in der weiteren Entwicklung berücksichtigt werden. Dieses weltweit erstmalig eingesetzten Messverfahrens erweitert die Vielfalt der optischen Messgeräte um eine weitere Technologie, um die Anforderungen der industriellen Messtechnik auch in Zukunft bewältigen zu können. Mit der neuen Messmethode ist es ohne Probleme möglich für transparente und sehr dunkle Materialien Oberflächenpunkte zu rekonstruieren.
