能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器制造技术

本发明专利技术提供能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，包括：一台投影仪，将含有大量光线的光线图案投影到被测物体表面；至少两台相机，能在同一时刻采集一张照亮的物体的图像，图像被控制处理单元进一步的处理，投影仪的光轴与相机的光轴在不同方向上构成了三角测量的角度，其中投影的光线可以由多个方向，多个相机和投影仪按照投影仪投影的光线的方向，构成多组三角测量传感器，所述多组三角测量传感器通过控制处理单元和投影的光线图案耦合起来。本专利的光学三维传感器能够用单次成像方法获得高时间分辨率和致密的三维物体表面形状，原则上可以以相机的速率来获得被检测物体的三维数据，从而真正实现三维相机功能。

【技术实现步骤摘要】
能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器本专利技术申请要求申请号为102016002398.8，申请日为2016年2月26日的德国专利申请的优先权，该项在先申请公开的全部
技术实现思路
纳入此处作为参考。
本专利技术属于光学领域，涉及一种能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器。
技术介绍
本专利的专利技术人致力于实现真正的3D相机，而目前绝大部分获得被检测物体的三维数据的方法一般都需要在不同的时间获取一系列的图像才能够获得高精度的物体三维的表面形状。因此无法实现3D相机功能。几乎所有已知的高品质的致密的三维测量方法一般都需要在不同的时间得到一系列的图像，以便获得高精度的三维测量数据。这些方法需要在不同的时间获得一系列图像的数量N一般在3至约30之间。假定获取这N张图像所需要的时间是T，那么被测物体和传感器本身在T时间内不能有相对的移动，而且被测物体本身在T时间内也不能变形。因此，这些三维测量的方法无法对于在运动的人或在做碰撞测试的车进行三维高速测量。还有一个更为重要的因素是因为这些高品质的三维测量方法一般需要将随时间变化的光线，如正弦条或随机的光线图案投射到物体表面。虽然，随着科技的进步，相机的拍摄速度越来越快，但是用来投影随时间变化的光线的投影机的速度并没有跟上相机速度的发展。因此，这些方法近年来的发展主要受到用来投影随时间变化的光线的投影机的速度的限制。投影机的速度不够快同时投影出去的光线不够亮，成为这些方法发展的主要制约因素。如果有一种方法，能够使用a)不随时间变化的光线，b)而且能够以相机的拍摄速度来采集物体的三维数据，将会十分有益。有一个已知的方法，即光线切割法，是不需要在不同的时间里来采集一系列图像的。在最简单的情况下，一条光线被投影到被检测物体的表面，然后通过简单的三角测量法即可得到被这一条光线照射到的物体的表面形状。但是，如果每次只能用一条光线投影到检测物体的表面来做测量，而每次被一条光线照射到的物体的表面面积十分有限，测量一个物体需要投影很多次单条光线，才能完成整个物体的测量，这样就需要很长的测量时间。为了增加数据采集的密度以便缩短测量时间，人们可以在每个时刻向被测物体同时投射多条光线。但是，在投射多条光线时，会产生所谓的一一对应问题，即人们必须准确知道哪些图像上的数据是和哪一条光线所对应的。而这个即使在使用不多的光线时就已经难以保证对应的唯一性了。为了解决这个问题，美国专利US2010/0303341A1中描述了一种所谓的“飞行三角测量法”。它每次只在物体表面很稀疏地投影几条光线，以便确保相机采集到的这几条光线均能实现和采集数据的一一对应。相机可以围绕被测量物体做自由的移动，以便在这个被测量物体的多个空间方向和多个空间位置上采集到很多次投影了几条光线的数据。假定被测量物体在图像采集过程中是刚性不变的，此方法就可以把这些多个空间方向和多个空间位置上采集到的数据加以合并，以获得被测量物体的表面的致密的采样。由于相机围绕被测量物体做自由的移动，就好像相机在围绕这个被测量物体做自由飞行，因此此方法命名为“飞行三角测量法”。美国专利US8140295B2中也描述了一种类似的方法。还有一些方法，也能够增加每次投影的光线的数量，以实现更加致密的采样和减少数据采集时间。这些方法通常是基于对投影的光线的编码。例如，投影的光线可以通过不同的颜色来进行编码和解码。这些方法的主要缺点是，被测物体表面的颜色和纹理可能会导致光线用颜色来进行编码和解码时的失误。此外，使用这些方法也不容易获得被测物体表面的颜色和纹理。另一种编码方法是对投射光线的强度进行调制，或者对光线的空间形态进行调制(美国专利US7768656B2〕。显而易见的是，这些调制方法需要浪费空间带宽，因此对高空间分辨率的检测不合适。当使用上述的对投射光线的强度进行调制方法对物体进行三维测量时，物体表面的细节往往无法获得高精度的测量。这同样适用于其它使用空间调制图案投影的方法。上述关于现有技术的讨论，揭示了一个事实，即采集高分辨率和致密的三维数据往往需要在不同的时间拍摄的一系列图片，而单次成像方法一般无法提供致密的数据。这是由基本的信息理论决定的。如果仅使用只有亮和暗两种光线强度的光线投影来做三维物体测量，因为每条亮的光线有一定的宽度而且其光强相同，这就直接导致了每个照相机像素无法全部被用来做三维物体测量，因此无法实现三维数据的致密采集。如果使用带灰阶的光强渐变的光线投影来做三维物体测量，例如，投影光强按正弦波来变化的光线，虽然每个照相机像素均有助于三维信息的采集，似乎好像可以实现三维数据的致密采集，但它原则上也有问题，导致无法实现三维数据的致密采集。当人们使用带灰阶的光强渐变的光线投影来做三维物体测量时，会碰到如下几个未知因素，未知的背景光，未知的物体表面光反射系数，和未知的投影光线的灰度值的。这几个未知因素必须通过其它方法来解决，这三个未知因素至少需要使用三组适当的编码的图像才能解决。杨等人提出了另一个想法，让本来需要在不同时间采集的一系列图像通过一系列的相机在同一时间内进行采集。为达到这个目的，多台相机通过合适的布置，并使用合适的投影图案，就能够在同一时间里采集相应的图像，并做到正确的解码。但是这种方法的主要问题是需要较大数量的相机。为了能够在测量区域内能够获得至少1024不同高度的高度分辨率，这种方法至少需要同时使用10台相机。然而，要校准这么多台相机，并且让它们安装稳定，在技术上要求很高。还有一种方法也使用多个相机来替代在不同时间里采集一系列图像，来解决唯一性的问题。这个能够减少采集一系列图像的数量，但是仍然无法实现三维数据的单次测量。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提供一种能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，达到能够用单次成像方法获得高时间分辨率和致密的三维物体表面形状的目的。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供一种能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，包括：一台投影仪，其光轴指向被测物体，而这台投影仪能够将含有大量光线的光线图案投影到被测物体表面；和至少两台相机，相机的光轴均指向被测物体，所述相机能够在同一时刻采集一张被投影仪投影的光线所照亮的物体的图像，所述图像能够被控制处理单元进行进一步的处理，投影仪的光轴与相机的光轴在不同方向上构成了三角测量的角度，其中投影仪投影的光线可以含有多个方向，多个相机和投影仪按照投影仪投影的光线的方向，构成多组三角测量传感器，所述多组三角测量传感器通过控制处理单元和投影的光线图案耦合起来。进一步，所述相机为两台，；投影仪投影的光线图案中线条的两个方向正好和坐标系的X轴和Y轴方向重合；而两个相机的光轴分别与与投影仪的光轴在坐标系中的X-Z平面及Y-Z平面上构成了4个三角测量的角度：，由此两个相机与投影仪分别组成了四个独立的三角测量传感器；三角测量传感器在每个光线的方向上，能够采集独立的物体表面的三维数据，控制处理单元能够将所述独立的物体表面的三维数据耦合起来。进一步，其中至少两个三角测量角度具有足够大的角度使得对应的两个三角测量传感器在X和Y方向具有设定的测量精度，另外至少两个三角测量角度具有足够小的角度使得对应的两个三角测量传感器在测量范围内获得具有唯一性数据。进一步，根据以本文档来自技高网...

【技术保护点】
能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，其特征在于，所述光学三维传感器包括：一台投影仪，其光轴指向被测物体，而这台投影仪能够将含有大量光线的光线图案投影到被测物体表面；和至少两台相机，相机的光轴均指向被测物体，所述相机能够在同一时刻采集一张被投影仪投影的光线所照亮的物体的图像，所述图像能够被控制处理单元进行进一步的处理，投影仪的光轴与相机的光轴在不同方向上构成了三角测量的角度，其中投影仪投影的光线可以含有多个方向，多个相机和投影仪按照投影仪投影的光线的方向，构成多组三角测量传感器，所述多组三角测量传感器通过控制处理单元和投影的光线图案耦合起来。

【技术特征摘要】
2016.02.26 DE 10201600239881.能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，其特征在于，所述光学三维传感器包括：一台投影仪，其光轴指向被测物体，而这台投影仪能够将含有大量光线的光线图案投影到被测物体表面；和至少两台相机，相机的光轴均指向被测物体，所述相机能够在同一时刻采集一张被投影仪投影的光线所照亮的物体的图像，所述图像能够被控制处理单元进行进一步的处理，投影仪的光轴与相机的光轴在不同方向上构成了三角测量的角度，其中投影仪投影的光线可以含有多个方向，多个相机和投影仪按照投影仪投影的光线的方向，构成多组三角测量传感器，所述多组三角测量传感器通过控制处理单元和投影的光线图案耦合起来。2.根据权利要求1所述的能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，其特征在于，所述相机为两台，投影仪投影的光线图案中线条的两个方向正好和坐标系的X轴和Y轴方向重合；而两个相机的光轴分别与与投影仪的光轴在坐标系中的X-Z平面及Y-Z平面上构成了4个三角测量的角度，由此两个相机与投影仪分别组成了四个独立的三角测量传感器；三角测量传感器在每个光线的方向上，能够采集独立的物体表面的三维数据，控制处理单元能够将所述独立的物体表面的三维数据耦合起来。3.根据权利要求1或2任意一项所述的能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，其特征在于，其中至少两个三角测量角度具有足够大的角度使得对应的两个三角测量传感器在X和Y方向具有设定的测量精度，另外至少两个三角测量角度具有足够小的角度使得对应的两个三角测量传感器在测量范围内获得具有唯一性数据。4.根据权利要求3所述的能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，其特征在于，根据以下公式来...

【专利技术属性】
技术研发人员：福禄理昂伟洛米泽，盖哈德豪施乐，
申请(专利权)人：福禄理昂·伟洛米泽，盖哈德·豪施乐，
类型：发明
国别省市：德国,DE