用于確定測量對象表面上的3D坐標(biāo)的光學(xué)測量方法和測量系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種用于確定測量對象表面（1s）的多個測量點(diǎn)的3D坐標(biāo)的光學(xué)測量方法。為此，使用投影器（3）以各種圖案（2a、2b）的圖案序列來照射測量對象表面（1s），用相機(jī)系統(tǒng)（4）記錄被圖案序列照射的測量對象表面（1s）的圖像序列，并且通過評估圖像序列來確定測量點(diǎn)的3D坐標(biāo)。根據(jù)本發(fā)明專利技術(shù)，在圖像序列被記錄時，至少在圖像序列的單獨(dú)圖像的照射時間內(nèi)，至少按照使得在圖像序列的各個單獨(dú)圖像的照射時間內(nèi)在每一種情況下能夠獲得加速度的多個值具體地大量的值的測量速率，來測量投影器（3）、相機(jī)系統(tǒng)（4）和/或測量對象（1）的平移和/或旋轉(zhuǎn)加速度。因而當(dāng)確定3D坐標(biāo)時，能夠基于測量到的加速度在算法上將投影器（3）、相機(jī)系統(tǒng)（4）和/或測量對象（1）的移動考慮在內(nèi)，該移動在圖像序列的各個單獨(dú)圖像的照射時間期間發(fā)生并且引發(fā)圖像序列的各個單獨(dú)圖像中的不穩(wěn)固性和/或運(yùn)動模糊。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】用于確定測量對象表面上的3D坐標(biāo)的光學(xué)測量方法和測量系統(tǒng)本專利技術(shù)涉及根據(jù)權(quán)利要求I的前序部分的用于確定測量對象表面的多個測量點(diǎn)的3D坐標(biāo)的光學(xué)測量方法以及根據(jù)權(quán)利要求9的前序部分的配置為用于這種目的的測量系統(tǒng)。這種類型的設(shè)備和方法具體用于機(jī)械工程、車輛工程、陶瓷業(yè)、制鞋業(yè)、珠寶業(yè)、牙科技術(shù)和人體醫(yī)學(xué)(整形術(shù))和其它領(lǐng)域，并且可以例如用于測量和協(xié)議化質(zhì)量控制、反向工程、快速原型、快速研磨或者數(shù)字樣機(jī)。對運(yùn)行中的生產(chǎn)工序中大致完整質(zhì)量控制和對原型機(jī)的空間成型的數(shù)字化的增長的需求意味著記錄表面地形圖更加頻繁地變?yōu)闇y量任務(wù)。這里的目的是在短時間內(nèi)確定被測量對象的表面的各個點(diǎn)的坐標(biāo)。可以例如被配置為便攜式、手持和/或固定安裝的系統(tǒng)的使用本領(lǐng)域已知的圖像序列的用于確定測量對象的3D坐標(biāo)測量系統(tǒng)在此一般具有用于用圖案照射測量對象的圖案投影器，因此有時稱為圖案投影3D掃描器或者光結(jié)構(gòu)3D掃描器。投影到測量對象的表面上的圖案被作為該測量系統(tǒng)的進(jìn)一步組成部分的相機(jī)系統(tǒng)所記錄。因而，作為測量的一部分，投影器用不同圖案(例如，不同寬度的平行亮暗條紋，條紋圖案可以還例如旋轉(zhuǎn)90° )·在時間上順序地照射測量對象。相機(jī)在相對于投影的已知觀察角登記投影的條紋。用每一個相機(jī)，針對每一個投影圖案記錄一個圖像。因而，針對全部相機(jī)的每一個像素產(chǎn)生了不同亮度值的時間序列。然而，除了條紋以外，還有可能有針對要被投影的其它圖案，諸如，例如隨機(jī)圖案、 偽隨機(jī)碼等。適用于此的圖案是本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中明顯已知的。偽隨機(jī)碼使得例如能夠更容易地絕對關(guān)聯(lián)對象點(diǎn)，這在非常精細(xì)的條紋的投影中變得更困難。為此，能夠迅速連續(xù)投影頭一個或者頭幾個偽隨機(jī)碼接著投影精細(xì)條紋圖案，或者在連續(xù)記錄中， 投影在序列中逐漸變得更精細(xì)的不同條紋圖案，直至在測量對象表面上的測量點(diǎn)的分辨率上實現(xiàn)期望的精度為止。接著使用根據(jù)來自照相測量和/或條紋投影的本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方法的圖像處理，可以從所記錄的圖像序列算出測量對象表面的3D坐標(biāo)。舉個例子，在 W02008/046663、DE 101 27 304A1、DE 196 33 686A1 或者 DE 10 2008 036 710A1 中描述了這種測量方法和測量系統(tǒng)。相機(jī)系統(tǒng)通常包括一個或者更多個數(shù)字相機(jī)，在測量期間彼此位于已知的空間位置。為了確保相機(jī)相對于彼此的穩(wěn)定定位，它們通常通過已知的空間定位和配準(zhǔn)被固定集成在一個公共殼體中，具體地，其中相機(jī)被配準(zhǔn)從而各個相機(jī)的視場大致交叉。在此，經(jīng)常使用兩個或者三個相機(jī)。在此情況下投影器可以固定連接到相機(jī)系統(tǒng)(如果還使用了分離的相機(jī)，則僅僅連接到相機(jī)系統(tǒng)的可用相機(jī))或者完全與相機(jī)系統(tǒng)隔開來定位。在一般情況下，即投影器相對于相機(jī)系統(tǒng)的相對定位和配置彼此固定因此預(yù)先不是已知的情況，用兩步來計算表面區(qū)域的期望三維坐標(biāo)。第一步，如下來確定投影器的坐標(biāo)。在給定的對象點(diǎn)，相機(jī)圖像中的圖像坐標(biāo)是已知的。投影器對應(yīng)于反向的相機(jī)。可以從針對每一個相機(jī)像素的圖像序列測量到的一系列亮度值來計算條紋的數(shù)量。在最簡單的情況下，這通過二進(jìn)制碼(例如，格雷碼)來實現(xiàn)，其將條紋的數(shù)量描繪為投影器中的離散坐標(biāo)。因而能夠通過稱為相移法的方法來實現(xiàn)更高的精度，因為可以確定非離散坐標(biāo)。它可以作為格雷碼的補(bǔ)充來使用或者作為絕對測量外差方法來使用。在由此確定了投影器的位置之后或者在相對于相機(jī)系統(tǒng)其位置先前已知的情況下，現(xiàn)在能夠例如通過交叉法按照以下方式確定測量對象表面上的測量點(diǎn)的3D坐標(biāo)。投影器中的條紋數(shù)量對應(yīng)于相機(jī)中的圖像坐標(biāo)。條紋數(shù)量指出空間中的光平面，圖像坐標(biāo)指出光束。在相機(jī)和投影器位置已知的條件下，可以算出該平面和直線的交叉點(diǎn)。這是在傳感器的坐標(biāo)系統(tǒng)中對象點(diǎn)的期望三維坐標(biāo)。必須精確地知道全部圖像束中的集合位置。從照相測量法已知，使用交叉法來精確計算束。為了在用于計算3D坐標(biāo)的這種測量方法中實現(xiàn)更好的精度，真實透鏡系統(tǒng)的非理想屬性(會導(dǎo)致圖像失真)可以通過失真校正來自適應(yīng)和/或可以進(jìn)行成像屬性的精確校準(zhǔn)。在本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的校準(zhǔn)處理中(例如，一系列校準(zhǔn)記錄)，投影器和相機(jī)的全部成像屬性都可以被測量，并且可以從中產(chǎn)生用于描述這些成像屬性的數(shù)學(xué)模型(使用攝影測量法)-具體地，打捆等式計算(bundling equalizationcalculation) 一例如從一系列校準(zhǔn)記錄確定用于限定成像屬性的參數(shù)。概括地說，在圖案投影方法中或者在光結(jié)構(gòu)3D掃描器中，因而必須用一系列光圖案來照射對象，以使得在三角測量(交叉)的幫助下能夠不含糊地確定測量區(qū)域中的測量點(diǎn)的深度。因而，為了確保測量結(jié)果的充分高的精度，通常必須有在用對應(yīng)的不同圖案投影 (即，用對應(yīng)的系列圖案)對測量對象照射下的多個記錄(即，一系列圖像)。在從現(xiàn)有技術(shù)已知的手持系統(tǒng)中，諸如例如在WO 2008/046663中描述的測量設(shè)備中，照射序列必須足夠快地發(fā)生以使得在一系列圖像的記錄期間操作員的移動不導(dǎo)致測量錯誤。各個投影器的相機(jī)所記錄的像素必須能夠以足夠的精度彼此配準(zhǔn)。因而，圖像序列必須比操作員造成的圖案或者圖像移位更快地發(fā)生。由于投影器的可發(fā)射光能量受到可用光源以及輻射保護(hù)規(guī)定的限制，這導(dǎo)致相機(jī)系統(tǒng)的可檢測能量的限制因而導(dǎo)致對弱反射測量對象表面的測量的限制。投影器進(jìn)一步在投影速度(圖像速率)方面受到限制。這種投影器的通常最大圖像速率例如在60Hz左右。對于包括投影一系列圖案并且用相機(jī)系統(tǒng)記錄各個圖案的圖像序列的測量操作， 例如，例如用現(xiàn)有的測量設(shè)備約200ms的測量持續(xù)時間是必須的(示例為了記錄從8到10 個圖像的序列，其中每一圖像20ms到40ms的曝光持續(xù)時間，例如，可以得到每一測量位置的160ms到400ms之間的總記錄時間或者測量持續(xù)時間)。在測量操作期間(在測量位置)，在相機(jī)裝置、投影器(或者，如果適當(dāng)，以集成方式包含相機(jī)裝置和投影器的測量頭)和測量對象之間不充分穩(wěn)固性的情況下或者在不充分高的定位和配準(zhǔn)穩(wěn)定性的情況下，可能發(fā)生各種不期望的效果，這使得評估更困難，更復(fù)雜， 甚至不可能，或者至少對可獲得的精度產(chǎn)生負(fù)面影響。相機(jī)裝置、投影器(或者，如果適當(dāng)，以集成方式包含相機(jī)裝置和投影器的測量頭) 或者測量對象的不令人滿意的穩(wěn)固性在此可以有各種原因。首先，測量環(huán)境中的搖晃(例如，如果測量是在集成在生產(chǎn)線上的生產(chǎn)臺上進(jìn)行) 會傳遞到測量對象的夾具或者傳遞到把持測量頭的機(jī)械臂因而造成干擾性的振蕩。因此，用于振蕩阻尼而復(fù)雜的措施至此變?yōu)楸匦瑁蛘弑仨氁苿拥教囟y量空間中，然而，這使生產(chǎn)處理明顯更復(fù)雜(因為必須將測量對象從生產(chǎn)線上移開并且運(yùn)送到專門設(shè)計的測量空間中)。在手持系統(tǒng)中，穩(wěn)固性不令人滿意的主要原因具體是自然人用戶的自然震顫。這里要提到的可能由缺乏相機(jī)裝置、投影器和測量對象相對彼此的定位和方向穩(wěn)定性導(dǎo)致的負(fù)面效果首先是圖像序列的各個記錄圖像中的運(yùn)動模糊和/或相機(jī)搖晃。第二，然而，圖像序列的單獨(dú)圖像相對于彼此關(guān)于各個記錄位置和相對于測量對象的方向上的不一致性(也就是，圖像序列中的單獨(dú)圖像的記錄位置和方向的變化性)可能發(fā)生，從而使單獨(dú)圖像中的像素與測量對象表面上的相同測量點(diǎn)的各個關(guān)聯(lián)完全不可能或者通過巨大的計算復(fù)雜度并且將測量對象表面的相同區(qū)域的多個圖像本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2010.06.21 EP 10166672.51.一種用于確定測量對象表面(Is)的多個測量點(diǎn)的3D坐標(biāo)的光學(xué)測量方法，所述方法包括以下步驟 使用投影器(3)以不同圖案(2a、2b)的圖案序列來照射所述測量對象表面(ls)， 使用相機(jī)系統(tǒng)(4)來記錄被所述圖案序列照射的所述測量對象表面(Is)的多個單獨(dú)圖像的圖像序列，以及 通過評估所述圖像序列來確定所述測量點(diǎn)的3D坐標(biāo)，尤其是其中，針對所述圖像序列的各個圖像中的所述測量對象表面(Is)的相同測量點(diǎn)確定一系列亮度值，所述方法的特征在于， 在至少在所述圖像序列的單獨(dú)圖像的曝光時間期間記錄所述圖像序列期間，以至少這樣的測量速率來測量所述投影器(3 )的、所述相機(jī)系統(tǒng)(4 )的和/或所述測量對象(I)的平移和/或旋轉(zhuǎn)加速度，即，該測量速率使得在所述圖像序列的各個單獨(dú)圖像的曝光時間期間在每一種情況下捕捉所述加速度的多個值，尤其是大量值，以及 在基于測量到的加速度來確定3D坐標(biāo)時，在算法上將所述投影器(3)的、所述相機(jī)系統(tǒng)(4)的和/或所述測量對象(I)的移動考慮在內(nèi)，所述移動引起所述圖像序列的各個單獨(dú)圖像中的相機(jī)搖晃和/或運(yùn)動模糊并且發(fā)生在所述圖像序列的各個單獨(dú)圖像的曝光時間期間。2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)測量方法，其特征在于，在全部六個自由度上測量所述投影器(3)的、所述相機(jī)系統(tǒng)(4)的和/或所述測量對象(I)的加速度，并且尤其是在記錄所述圖像序列的整個操作期間以特定測量速率特別是大約50Hz到2000Hz之間來連續(xù)測量所述加速度。3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的光學(xué)測量方法，其特征在于，依賴于測量到的加速度，在所述圖像序列的單獨(dú)圖像中分別執(zhí)行對相機(jī)搖晃和/或運(yùn)動模糊的補(bǔ)償和/或校正，所述相機(jī)搖晃和/或運(yùn)動模糊是由在所述圖像序列的各個單獨(dú)圖像的曝光時間期間發(fā)生的所述投影器(3)的、所述相機(jī)系統(tǒng)(4)的和/或所述測量對象 (O的移動所導(dǎo)致的，其中，特別地，所述移動是由 用戶將所述投影器(3)、所述相機(jī)系統(tǒng)(4)和/或所述測量對象(I)把持在他的手中導(dǎo)致的，具體地是由手抖和不經(jīng)意造成的，或者 所述投影器(3)、所述相機(jī)系統(tǒng)(4)和/或所述測量對象(I)的保持件的搖晃或者振蕩導(dǎo)致的。4.根據(jù)權(quán)利要求I到3中任何一項所述的光學(xué)測量方法，其特征在于，在記錄所述圖像序列或者多個圖像序列的整個操作期間，測量所述加速度，并且利用測量到的加速度以計算方式將通過針對測量點(diǎn)的3D坐標(biāo)評估所述單獨(dú)圖像而獲得的信息結(jié)合到一起，具體地，其中在記錄的操作期間， 為了放大所述測量對象表面(Is)上的測量區(qū)域， 為了稠密化所述測量區(qū)域并由此增大所述測量對象表面(Is)上的測量點(diǎn)密度，和/或 為了改變所述圖案序列的各個圖案(2a、2b)中的在用大致相干光輻射照射的情況下意外出現(xiàn)的散斑場，并由此用于減小由這種散斑場導(dǎo)致的局部測量不準(zhǔn)確度或者測量點(diǎn)間隙，移動所述測量對象(I)、所述相機(jī)系統(tǒng)(4)和/或所述投影器(3)，具體地，其中為此目的實現(xiàn)的移動是由 將所述測量對象(I)和/或所述相機(jī)系統(tǒng)(4)把持在他的手中的用戶實現(xiàn)的，和/或 用于所述投影器(3)、所述相機(jī)系統(tǒng)(4)和/或所述測量對象(I)的為此設(shè)計并且被手動控制或者以自動編程方式控制的保持件，具體地為機(jī)械臂，實現(xiàn)的。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)測量方法，其特征在于，對于在計算上將所記錄的單獨(dú)圖像之間的相對于彼此的關(guān)于它們相對于測量對象(I) 的記錄位置和方向的空間關(guān)系結(jié)合到一起，所述關(guān)系是從測量到的加速度導(dǎo)出的，被用作開始條件使得在計算上結(jié)合到一起本身相比于不使用這種開始條件的方法需要減少的計算花費(fèi)。6.根據(jù)權(quán)利要求I到5中任何一項所述的光學(xué)測量方法，其特征在于，根據(jù)三角測量原理以攝影測量方式根據(jù)所述圖像序列以及對在所述圖像序列的單獨(dú)圖像中捕捉到的圖案序列的圖案的了解，具體地使用交叉來確定所述測量點(diǎn)的3D坐標(biāo)。7.根據(jù)權(quán)利要求I到6中任...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：克努特·西爾克斯，
申請(專利權(quán))人：萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司，
類型：
國別省市：