用于检测物体的优选结构化表面的图像的设备和方法技术

本发明专利技术的目标是一种物体的快速和非常精确的重构。这通过一种用于检测物体(6)的优选结构化表面的图像的设备和方法，包括用于照明所述物体(6)的至少一个图案投影单元以及用于捕捉所投影的图案的图像的至少一个成像单元(7)。所接收的一个或多个图像的时间和/或空间分析被执行以便重构该表面。所述至少一个图案投影单元被设计成使用在光栅上的光衍射生成图案。而且，所述用于检测图像的方法被表征为通过使用所捕捉图像或图像序列的时间和/或空间分析，借助于算法可以确定对应的像素，所述对应的像素连同成像功能一起允许表面点的三角测量。

Apparatus and method for detecting images of preferred structured surfaces of objects

The object of the present invention is a fast and very precise reconstruction of an object. This is by a device and method for optimizing an image of a structured surface for detecting an object (6), including at least one pattern projection unit for illuminating the object (6) and at least one imaging unit (7) for capturing an image of the projected pattern. The time and / or spatial analysis of the received one or more images is executed to reconstruct the surface. The at least one pattern projection unit is designed to generate patterns using light diffraction on the grating. Furthermore, the method used for detecting the image is characterized by the time and / or spatial analysis of the captured images or image sequences, and the corresponding pixels can be determined with the aid of an algorithm, and the corresponding pixels, together with the imaging function, allow triangulation of the surface points together.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于检测物体的优选结构化表面的图像的设备和方法本专利技术涉及一种具有用于照亮物体的至少一个图案投影单元以及用于捕捉所投影的图案的图像的用于至少一个成像单元来检测物体的优选结构化表面的图像的设备，其中执行所捕捉的图像或图像序列的时间和/或空间分析以便重构所述表面。此外，本专利技术涉及一种用于检测物体的优选结构化表面的图像的方法，其中所述表面被至少一个图案投影单元照亮，其中所投影的图案的图像被至少一个成像单元捕捉，并且其中执行所捕捉的图像或图像序列的时间和/或空间分析以便重构所述表面。首先提到的类型的设备和方法是从实践中知晓的且存在于不同的实施例中。基本上，一方面，存在用于对表面形状进行三维捕捉的不同光学传感器或设备。具体而言，具有活动图案投影的传感器在此起到核心的作用，因为利用这些传感器可能实现在几个微米(μm)的范围内的高度分辨率。典型的且经证实的方案是带状投影方法—确定性的图案序列—以及统计图案序列的投影。这些方案与是否进行了线性或平面投影无关。光学3-D传感器的其它方案基于运行时方法，例如在飞行时间相机或静态图案投影中的光子混合检测器(PMD传感器)，静态图案投影例如来自PrimeSense公司的光编码技术、来自Ensenso公司的人造纹理的投影，它们可以部分提供非常快速的3-D数据但与具有活动图案投影的3-D传感器相比在分辨率和精确度方面存在缺陷。根据活动图案投影的原理的光学传感器由一个或多个图案投影单元以及一个或多个成像单元构成。图案投影单元，就它而言，由至少一个光源、适当适配的照明透镜、光调制器(例如显示器)以及投影透镜构成。当前的发展是例如具有结构化照明的3-D线传感器(马德宝/NB大学；DE102013212409A1)以及基于具有激光散斑的随机图案投影的3-D传感器(Jena大学；DE102012002161A1)。使用相位分析方法或时间相关性方法来从对所投影的图案的捕捉中计算出表面形状。为了实现高测量精确度以及所测量的结果的无歧义性，通常4到10个个体图案的图案序列对于3-D图像是必须的，由此得到相对长的图像捕捉时间。在该时间期间，在采用平面投影的传感器的情况下，不会有传感器相对于表面的移动发生。在采用线性投影的传感器的情况下，可以根据传感器在表面上的移动来构成该表面。在光学传感器中的图像捕捉的时间一方面取决于投影速度和成像单元的速度，另一方面取决于可以经由图案投影单元被带到要被测量的物体上且可以以可使用方式被再次带入到成像单元中的光量。成像单元的敏感度在此也起着重要的作用。然而，当可以在成像单元中实现相对高的成像速度(线性相机高至数百kHz，矩阵相机高至数百Hz)的同时，通常使用的投影单元则被限制于至多1900Hz的速度(DMD，数字微镜设备)。对于二元图案的投影，例如来自德州仪器(TexasInstruments)的DMD确实实现了高至32kHz二元的图像饱和频率，参见数据表TIDLP7000–0.72xLVDS类型-ADMD。然而，由于例如正弦带状图案的投影要求非二元灰度值，因此可实现的图像变化频率因为用于随后必需的图像的表示的脉宽调制而被显著降低。高照明强度的必需性也限制了光学传感器的图像捕捉速度。原则上，LED可以以高周期率被切换；然而，考虑到因而将非常短的照明时间，对于检测用于捕捉图像的充足的光来说，所使用的成像单元大多太不敏感。具有基于激光器的光源的图案投影单元具有投影明显更大光量的倾向。然而，所允许的光量在技术上被限制，特别是在基于LCD或LCoS的带状投影的图像调制器的情况下，因为大量引入的能量保留作为元件中的功率损失。这负面影响了正确的功能并且在极端情况下可以导致毁坏。以例如来自基于激光器光源的客观散斑的形式生成随机图案的图像和/或光调制器在此形式中并不具有这样的问题。然而，此处的测试表明在测量区域上的强度的基于原则的、高斯分布以及亮度的频率的分布(少量非常亮的点和相对多的暗区域)对所测量的结果的质量有负面的影响并且与确定性图案序列相比提供了更差的值。基本上，整个测量范围的稳定对比度可以通过确定性的图案序列来实现。在静态方法的情况下，甚至所述对比度并因而所测得的结果也都经受依赖位置的统计。通过图案的机械变化生成必需的图案序列的投影仪是非常快速的。图案的变化例如通过旋转其上放置有几种静态图案的盘(ABW公司的MiniRot投影仪)或通过马达驱动偏转镜(Jena大学，DE102011121696A1)来发生。然而，这种类型的投影仪要么受限于现有的静态图案(旋转的、静态图案)，要么生成相对类似的静态图案(偏转镜)，其在呈现各图像序列内的相关性方面是困难的。另一组光调制器或照明系统基于LED阵列以及通过投影透镜的生成图案，其中所述投影透镜由透镜阵列组成。在这个领域中当前的成果是例如依据FraunhoferIOFJena的基于LED多孔图案投影以及Magdeburg大学开发的用于在圆柱形透镜的帮助下生成光图案的设备，参见DE102013002399A1。这些照明系统也可以非常快速地投影图案，因为它们仅仅依靠LED的可能的切换频率；然而，所投影的图案不能变化或仅能在狭窄的限制范围中变化。而且，仅有在受限深度锐度范围中实现的图案可以被生成，并且所述图案部分具有低的对比度。用于物体的优选结构化表面的图像捕捉的已知的设备和方法，尤其在3-D传感器的情况下，具有下述问题：直到现在还不存在合适的设备且还不存在合适的方法，根据该合适的设备和方法可以使得具有图案内的模拟灰度值表示的任意确定性图案序列的非常快速的投影以及图案内容随一个图案到另一个图案的不同变化、提供高能量密度以便实现非常短的图像捕捉时间以及在整个投影表面上的均匀亮度分布成为可能。因此，本专利技术具有一个使得先前提到的类型的捕捉图像的设备和方法可用的基本问题，根据该设备和方法，可以通过简单的构造手段以极高精确度重构(尤其以三维形式)物体。根据本专利技术，在一方面上述问题由具有权项1的特征的设备来解决。相应地，所述设备的特征在于至少一个图案投影单元被设计成使用在光栅上的光衍射捕捉图案。另一方面，上述问题由具有权项10的特征的方法来解决。因此，所述方法的特征在于通过使用根据算法的对所捕捉图像或图像序列的时间和/或空间分析，对应的像素可以被确定，对应的像素结合成像函数使得对表面点的三角测量成为可能。以根据本专利技术的方式首次认识到：通过有技巧地选择所述至少一个图案投影单元的设计，上述问题以令人惊讶的简单方式被解决。为此，至少一个图案投影单元以根据本专利技术的这样的方式被设计，其使用在光栅上的光衍射生成图案。灰度值图案可以以这样的方式被非常快速地生成，通过该方式总体来说以非常高的精确度产生非常快速的物体重构。关于所述方法，对应的像素通过使用对所捕捉的图像或图像序列的时间/空间分析的算法来确定，其中这些确定的像素与成像函数一起使得表面点的三角测量成为可能。因此，利用根据本专利技术的用于捕捉物体的优选结构化表面的图像的设备和方法，物体可以通过有益的简单手段以非常快的速度以及高精确度(尤其是以三维形式)被重构。关于特别精确的表面重构，表面重构可以通过相位分析方法和/或时间相关性方法被执行。因此，在给定关于设备的布置的附加知识的情况下，表面形状可以通过三本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于通过用于照明物体(6)的至少一个图案投影单元以及用于捕捉被投影的图案的图像的至少一个成像单元(7)来检测物体(6)的优选结构化表面的图像的设备，其中执行对所捕捉的图像或图像序列的时间和/或空间分析以便重构所述表面，其特征在于，所述至少一个图案投影单元被设计成使用在光栅上的光衍射生成图案。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.09 DE 102015212843.1;2016.05.10 DE 10201621.一种用于通过用于照明物体(6)的至少一个图案投影单元以及用于捕捉被投影的图案的图像的至少一个成像单元(7)来检测物体(6)的优选结构化表面的图像的设备，其中执行对所捕捉的图像或图像序列的时间和/或空间分析以便重构所述表面，其特征在于，所述至少一个图案投影单元被设计成使用在光栅上的光衍射生成图案。2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述表面的重构能够通过相位分析方法和/或时间相关性方法被执行。3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述至少一个图案投影单元包括至少一个MEMS光调制器(微电机系统)。4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述MEMS光调制器包括金属带和/或金属板，所述金属带和/或金属板可以向上和向远方或前后静电地移动。5.如权利要求1到4中任一权利要求所述的设备，其特征在于，可以使用0阶或1阶衍射。6.如权利要求1到5中任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·维斯特，W·施密特，R·瓦格纳，
申请(专利权)人：INB视觉股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE