Effiziente, simultane Sichtstrahlkalibrierung und Systemorientierung für hochgenaue geometrisch-optische 3D-Messsysteme (Sichtstrahl Plus)

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Bernhard Bergmann
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 289307220

Die optische Messtechnik ermöglicht eine flächenhafte, hochgenaue, schnelle und berührungslose Qualitätskontrolle. Die meisten Verfahren werden mittels sich geradlinig ausbreitender Lichtstrahlen beschrieben (geometrisch-optische Messtechnik). Da Kameras nur zweidimensionale Bilder liefern, lässt sich keine unmittelbare Punkt-zu-Punkt Zuordnung der Bildpunkte (Pixel) zu 3D-Koordinaten herstellen, sondern nur von Pixeln zu sog. Sichtstrahlen (Halbgeraden). Die Zuordnung wird durch eine Kamera-Kalibrierung bestimmt, die konventionell auf einen Lochkameramodell basiert. Dabei laufen die Sichtstrahlen von allen Pixeln durch einen gemeinsamen Punkt, die sog. Lochapertur. Reale Linsensysteme lassen sich so aber nur unzureichend charakterisieren. Ein neuerer Ansatz beschreibt die Sichtstrahlen für jedes Pixel. Die Kalibrierung liefert dabei eine individuelle Halbgerade für jedes einzelne Pixel und ist daher sehr aufwändig, die kleinste mögliche Menge an Referenz-Aufnahmen nicht bekannt und eine theoretische Vorhersage aufgrund des quasi modellfreien Ansatzes der Sichtstrahlkalibrierung z.Zt. nur sehr eingeschränkt möglich. Die derzeit verbreitetste Kamerakalibrierung für messtechnische Zwecke basiert noch immer auf einem erweiterten Lochkamera-Modell. Für hochgenaue Messungen ist dieser Ansatz unbefriedigend, da bestimmte Verzeichnungen und Linsenfehler nicht erfasst werden.Projektziel: Zur vollständigen Kalibrierung von Mehrkamera-3D-Koordinatenmesssystemen auf Basis der Streifenprojektion soll eine neuartige Methode zur gleichzeitigen Durchführung von Kamera-Sichtstrahlkalibrierung und Mehrkamera-Messsystem-Orientierung erforscht werden. Diese soll durch neue, numerisch effiziente und geometrisch optimale Kalibrieralgorithmen und -strategien eine schnelle Auswertung des gesamten Datensatzes ermöglichen. Das Projekt hat drei Teilziele: 1. Erstellung eines zusammenfassenden Mehrkamera-Simulationsmodells der Sichtstrahl-Kalibrierung zur Erforschung unterschiedlicher Modellkomponenten, zur Erprobung der verwendeten numerischen Optimierungsmethoden und zur Untersuchung von Mehrkamera-Kalibrierungsmethoden. Entwicklung neuer, numerisch effizienter und geometrisch optimaler Kalibrieralgorithmen und -strategien. 2. Herleitung einer Messvorschrift zur Durchführung der Kamera-Sichtstrahl-Kalibrierung, die in Abhängigkeit von den Rahmenbedingungen die Positionen des Referenzdisplays beschreibt, die mindestens nötig sind, um die mit derzeit eingesetzten Methoden erreichte Messunsicherheit beizubehalten. Dabei soll eine Reduktion des zeitlichen Messaufwands von derzeit einigen Stunden auf max. 30 min erreicht werden. 3. Entwicklung einer Kalibriermethode für Mehrkameraaufbauten, die den Aus- und Einbau der einzelnen Kameras vermeidet und die Anzahl der Arbeitsschritte durch gleichzeitige Kalibrierung und Orientierung erheblich reduziert. Der zeitliche Messaufwand soll hier für ein Zweikamera-System 45 min und für ein Vierkamera-System 60 min nicht übersteigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen