Vordringen in unbekannte, tiefe Gesteinsschichten - Digital ...

Bilder: Breuckmann
52 Hardware & Peripherie 3D-Scanner
FUNKTIONSWEISE DREIDIMENSIONALER MESSSYSTEME
Durch und durch vermessen
VON MARTINA MAIER
Dreidimensionale Messtechnik, die einen realen Gegenstand in kürzester Zeit einscannt und in ein
dreidimensionales Modell im Computer verwandelt, leistet heute einen wichtigen Beitrag in zahlreichen
Produktentwicklungs- und Produktionsprozessen. Die Funktionsweise dieser Messsysteme wird hier
am Beispiel eines Streifenprojektionssystems beschrieben, das mit der miniaturisierten Projektions technik
(MPT) arbeitet.
Vom real existierenden Gegenstand
zum dreidimensionalen Modell: Zur
berührungslosen Objektvermessung
und -digitalisierung werden heute in vielen
Anwendungsbereichen bildgebende
Messtechniken eingesetzt. Dabei wird ein
großes Spektrum abgedeckt, was die Größe
der Objekte (von wenigen Millimetern
bis mehreren Metern) wie auch die Komplexität
der Oberfl ächenstruktur (etwa
kleinste Erhöhungen oder Gefälle, verdeckte
Bereiche, Bohrungen, Hinterschnitte)
betriff t. Dreidimensionale Messsysteme
scannen die Geometrie sowie – wenn
aufgabenbedingt gefordert – die Farbe einer
Objektoberfl äche innerhalb weniger
Sekunden und stellen mit Hilfe einer speziellen
Datenerfassungssoftware das exakte
digitale Abbild des Objekts am Computer
zur Verfügung. Abhängig von der verwendeten
dreidimensionalen Messtechnik
zeichnen sich die in kürzester Zeit erfassten,
direkt weiterverwertbaren 3D-Scandaten
durch eine unterschiedlich hohe
Präzision aus. Solche Messergebnisse leisten
einen wichtigen Beitrag in zahlreichen
Produktentwicklungs- und Produktions-
4/2011
prozessen. Ein bedeutender Applikationsbereich
fi ndet sich in der Automobil- oder
Luftfahrtindustrie. Doch nicht nur hier reichen
die Systemanwendungen von der
Entwicklung über die Produktgestaltung
mittels Rapid Prototyping bis hin zur Flächenrückführung,
Simulation oder Qualitätskontrolle
und -optimierung in verschiedensten
Produktsparten. Aber auch
im medizinischen Bereich, etwa in der
Zahnmedizin, in der Anthropometrie oder
zur Wirksamkeitsanalyse von Hautpfl egeprodukten
sowie bei der Dokumentation
und Archivierung von kunsthistorischen
Gegenständen oder archäologischen Funden
werden 3D-Scanner eingesetzt.
Funktionsweise der Messsysteme
Die Funktionsweise dieser Messsysteme
wird hier am Beispiel eines Streifenprojektionssystems
beschrieben, das mit der
so genannten miniaturisierten Projektionstechnik
(MPT) arbeitet. Dieses Verfahren
ist als aktive Triangulation bekannt, im
Angelsächsischen fi ndet man dazu häufi g
den Begriff „White Light Scanner“. Dieser
Weißlichtscanner besteht aus verschiede-
nen Hardware- und Softwarekomponenten,
zu denen ein bis zwei Digitalkameras
(Messfeld und Aufl ösung individuell der
jeweiligen Anwendung angepasst), eine
Projektionseinheit (ungefähr vergleichbar
mit einem Diaprojektor) sowie ein Computer
mit einer Aufnahme- und Auswertungssoftware
gehören.
Die Erfassung mit einem Weißlichtscanner,
auch Streifenprojektionssystem genannt,
erfolgt in folgenden Schritten:
Nachdem der 3D-Scanner, das Messobjekt
und gegebenenfalls ein Drehteller
oder ein Roboter für eine automatisierte
Erfassung eingerichtet sind, wird die Sensorik
(Kameras, Projektor) kalibriert.
Es folgt die digitale Vermessung des Objekts,
indem der Projektor eine Sequenz
von Streifenmustern (hier: Gray-Code-Verfahren,
kombiniert mit Phasen-Shift-Technik)
auf das Messobjekt überträgt. Dabei
stehen für jedes Objekt an die Aufgabenstellung
angepasste Mustersequenzen zur
Verfügung. Die Systemkameras nehmen
das projizierte Streifenmuster unter einem
vordefi nierten Betrachtungswinkel auf, wobei
diese Projektion für jedes Objekt, sogar
für jede Ansicht des Objekts, individuell verschieden
ist. Je nach Anwendung kommen
ein oder zwei Kameras zum Einsatz, bei Bedarf
läuft die 3D-Digitalisierung durch einen
mit dem Messverlauf synchronisierten
Drehteller beziehungsweise Roboter vollautomatisch
ab.
Eine einzelne Messsequenz ist nach etwa
einer Sekunde abgeschlossen; abhängig
von der Komplexität des Messobjekts dauert
der gesamte Messvorgang zwischen
wenigen Sekunden und mehreren Minu-