Methoden zur Reduktion der Messlatenz von GOBO-Projektor-basierten 3D-Sensoren
Genaue, optische 3D-Messverfahren werden vielfältig in der Industrie, der Medizin und der Wissenschaft eingesetzt. Bei etlichen dieser Anwendungen ist eine schnelle Reaktion auf Veränderungen in der Messszene erforderlich. Dies ist z.B. der Fall, wenn eine Maschine aus Sicherheitsgründen abgeschaltet oder angehalten werden muss oder eine direkte Rückmeldung an einen Menschen gegeben werden soll. Steht das 3D-Ergebnis der Messung nach hinreichend kurzer Zeit ab Beginn der Messung zur Verfügung, kann die Reaktion basierend auf diesem Ergebnis angestoßen werden.
Das Prinzip des GOBO-Projektor-basierten, aktiven Stereo-Sensors hat sich als genaues, optisches 3D-Messverfahren etabliert. Bei diesem Verfahren wird ein sich zeitlich änderndes, aperiodisches Streifenmuster auf das Messobjekt projiziert, während zwei kalibrierte Kameras jeweils eine Bildsequenz synchron aufnehmen. Innerhalb dieser Bildsequenzen werden anschließend die Abbilder von Objektpunkten, welche in beiden Kameras sichtbar sind, einander zugeordnet. Für jedes solche Paar wird dann die 3D-Koordinate des zugehörenden Objektpunktes trianguliert.
Das Verfahren erlaubt auch 3D-Aufnahmen mit speziellen Anforderungen, die von anderen, genauen 3D-Sensorprinzipien nur schwer erreicht werden. Dazu gehört die Messung mit speziellen Lichtwellenlängen, wie z.B. dem Nah-Infrarotbereich, womit blendfreie Vermessung ermöglicht wird, oder die Erfassung sehr schneller Prozesse, wie die Messung von Airbag-Entfaltungen.
Bisher war es jedoch nicht möglich, die 3D-Messergebnisse in so kurzer Zeit (z.B. 100 ms), d.h. mit so kurzer Messlatenz, zur Verfügung zu stellen, dass eine unmittelbare Reaktion auf eine Veränderung der Messszene erfolgen kann. Diese Verkürzung der Messlatenz ist das Ziel dieser Arbeit.
Es werden Methoden beschrieben und untersucht, mit denen die Messlatenz von GOBO-Projektor-basierten, aktiven Stereo-Sensoren auf unter 100 ms verkürzt werden kann. Die Verbesserungen konzentrieren sich auf zwei Bereiche: die schnelle Rekonstruktion des 3D-Modells aus den aufgenommenen Bildsequenzen und die Reduktion der Aufnahmezeit durch Verkürzung der Bildsequenz-Länge. Letztere wird mittels einer Optimierung der Musterprojektion ermöglicht, welche bei kurzen Bildsequenz-Längen eine erhebliche Reduktion unerwünschter Messartefakte bewirkt.
Abschließend werden mehrere Anwendungen gezeigt, die von diesen Verbesserungen profitieren.
Accurate, optical 3D measurement techniques are widely used in industry, medicine and science. In some of the applications, a fast response to changes in the measurement scene is required. This is the case, for example, when a machine has to be stopped to avoid collision, or direct feedback to a human being must be provided. If the 3D result of the measurement is available after a sufficiently short time from the start of the measurement, the reaction can be triggered based on this result.
Active stereo 3D sensors based on GOBO projection have been established as an accurate optical 3D measurement method. The sensor projects a time-varying, aperiodic fringe pattern onto the measured object, while two calibrated cameras synchronously record an image sequence, each. After the recording, a 3D reconstruction algorithm searches for pixels pairs, which correspond to the same object point within these two image sequences.
For each such pair, the algorithm triangulates the 3D coordinate of the associated object point.
With this method, special requirements can be accounted for which are difficult to achieve by other accurate 3D measurement principles. These include measurements with special light wavelengths, such as the near-infrared range, thus enabling glarefree, i.e. irritation-free measurement, or the measurement of very fast processes, such as the measurement of airbag inflation.
Until now, however, it has not been possible to provide 3D measurement results in such a short time (e.g. 100ms), i.e. with such a short measurement latency, that an immediate reaction to a change in the measurement scene can be made. Therefore, the goal of this dissertation is the reduction of the measurement latency.
In this dissertation, the author describes and investigates methods to shorten the measurement latency of GOBO projector-based active stereo sensors to less than 100ms. The improvements focus on two areas: fast reconstruction of the 3D model from the acquired image sequences, and reduction of the acquisition time by shortening the image sequence length. The latter is achieved by means of an optimization of the pattern projection, which results in a significant reduction of unwanted measurement artifacts for short image sequence lengths.
Finally, the author shows several applications that benefit from these improvements.
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