使用基于模型的峰值选择的三维轮廓确定系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种系统和方法，以离散间隔的方式施加多个曝光水平从而分析表面，并从由此生成的峰值范围中选择正确的轮廓。通过与模型轮廓进行比较将峰值信息的云确定为最佳候选，以表示对象轮廓的精确代表。说明性地，位移传感器在表面上投射照射线并在传感器组件以设定的曝光水平接收反射光。处理器用于改变设定为多个离散增量的所述曝光水平，并且为每个所述增量存储所述反射光的图像。确定过程对存储的图像进行组合,并相对于模型图像对准组合图像。基于与所述模型图像的接近度选择所述组合图像的点，以提供所述表面的候选轮廓。

The system and method of 3D contour determination using model-based peak selection

The invention provides a system and a method for applying a plurality of exposure levels in a discrete interval manner to analyze a surface, and selecting a correct profile from a range of peaks generated thereby. Compared with the model contour, the cloud with peak information is selected as the best candidate to represent the accurate representation of the object contour. Illustratively, the displacement sensor projects radiation on the surface and receives reflected light at a set exposure level on the sensor assembly. The processor is used to change the exposure level set to a plurality of discrete increments, and to store an image of the reflected light for each increment. The determination process combines the stored image and aligns the combined image with respect to the model image. A point of the combined image is selected based on proximity to the model image to provide a candidate profile of the surface.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用基于模型的峰值选择的三维轮廓确定系统及方法
本专利技术涉及使用一个或多个三维(3D，three-dimensional)视觉系统相机(也称为“位移传感器(displacementsensor)”或“轮廓仪(profilers)”)的视觉系统，更具体涉及在对象表面确定3D(高度)轮廓。
技术介绍
在制造和组装过程中，通常希望分析对象表面以确定特征和/或不规则性等性质。可以使用激光位移传感器(也称为激光束“轮廓仪”)形式的机器视觉系统(在此也称为“视觉系统”)确定对象表面的位移(或“轮廓”)。激光位移传感器使用平面帘幕或“扇形”的激光束捕获并确定扫描对象表面的(三维)轮廓。在传统的布置中，视觉系统相机组件定向成从平面外部观察光束的平面。由于光束平面和相机之间的基线(即，沿y轴的相对间距)使得成像线以成像点(沿图像x轴)的物理z轴高度的函数在图像y轴方向上变化，从而使得该布置捕获在对象表面上的投影线的轮廓(例如，沿物理x轴延伸)。该偏差表示使用位移传感器内的适当校准参数从各个图像点的x-y位置导出的在x-z平面中的表面轮廓。激光位移传感器可广泛用于使用者希望通过三角测量对扫描对象的表面细节进行测量和表征的检查和制造操作。典型的激光位移传感器使用可基于CCD或CMOS设计的具有镜头组件和图像传感器(或“成像器”)的视觉系统相机。成像器在通过镜头/光学器件接收来自成像场景的聚焦光的图像平面上定义灰度或颜色感测像素的预定场。在特定视觉系统实现中，将多个位移传感器(例如，激光轮廓仪)搭载在一起从而扩展视觉系统的整个视场(FOV)(其中术语“视场”指的是测量范围)，由此，以足够的分辨率对对象的所期待的区域(例如，全宽)进行完全成像。在由具有不同光学性质的材料制成和/或具有可引起内部反射的结构化表面的有用对象(objectofinterest)的表面上读取投影线具有挑战性。例如，表面可包括具有不同反射的不透明区域、反射区域、半透明/透明区域或其组合，还可能根据相对角度产生内部反射。前一种情况的挑战性在于无法选择单个曝光设置来适应所有材料，后一种情况的挑战性在于内部反射会使位移传感器对实际轮廓产生混淆。
技术实现思路
为克服现有技术的缺陷，本专利技术提供一种以离散间隔的方式施加多个曝光水平从而分析表面，并从由此生成的峰值范围中选择正确的轮廓的系统和方法。通过与模型轮廓进行比较将峰值信息的云确定为最佳候选，以表示对象轮廓的精确代表。在说明性实施例中，提供了一种用于确定对象表面的轮廓的系统和方法，包括在表面上投射照射线并在传感器组件以设定的曝光水平接收反射光的位移传感器。处理器用于改变设定为多个离散增量的所述曝光水平，并且为每个所述增量存储所述反射光的图像。确定过程对存储的图像进行组合,并相对于模型图像对准组合图像。基于与所述模型图像的接近度选择所述组合图像的点，以提供所述表面的候选轮廓。说明性地，所述曝光水平包括激光强度水平、增益、曝光时间及光圈。所述表面至少部分地限定反射性和半透明性中的至少一个。所述组合图像中的点沿x维度组成为列，并沿z维度按照强度进行加权。可以基于根据预设的统计技术布置的二维核对所述点进行加权。例如，所述二维核包括高斯核、序列或均匀核、三角核、双权核和Epanechnikov核中的至少一个。基于与所述模型图像中的对应点的接近度，为候选轮廓选择每列中的点。所述模型图像基于对象表面的实际图像或(例如CAD)合成生成的轮廓。说明性地，峰值点检测(选择)参数可以包括由所述传感器组件在所述表面上观察到的对比度阈值、强度阈值和所述照射线的宽度中的至少一个。附图说明下面，参考附图对本专利技术进行说明。图1是显示根据说明性实施例的获取对象图像并在多个曝光水平处理图像数据的整体视觉系统布置的附图；图2是对象表面的示例性图像，其显示在第一曝光水平的处于部分过度曝光状态的位移传感器的照射线；图3是图2的对象表面的示例性图像，其显示不期待的内部反射为可见的第二曝光水平下的位移传感器的照射线；图4是显示根据说明性实施例的图像获取过程和轮廓确定过程的流程图；图5是显示图4的获取过程和确定过程的更详细的流程图；图6是显示图2的对象表面的示例性图像，其显示根据高斯核对点进行加权，并将x轴作为水平轴，z轴作为垂直轴的合成图像的生成；以及图7是显示图2的对象表面的示例性图像，其显示基于合成图像和对准的模型数据确定的轮廓线。具体实施方式参考图1，图1示出了根据说明性实施例的用于确定示例性的有用对象(objectofinterest)110的轮廓的整体视觉系统装置100。布置100是多种可实现实施例的示例。作为非限制性示例，位移传感器120在其上的适当位置测量对象的表面112。该示例中的位移传感器120包括照明源122，该照明源122用于投射在表面112上定义线的扇形124的可见或几乎可见的激光束(例如使用适当的光学组件)。任意3D坐标集116(例如笛卡尔坐标，x，y和z轴)具有沿x轴延伸的线。包括图像传感器127和光学器件129的相机组件128定向成在相对于扇形124的平面的锐角θ(以由虚线示出的中心线125表示)限定光轴OA。该角度θ使得线在2D传感器中以z高度的函数沿着y轴的偏移进行显示。对位移传感器120进行校准使得在其传输的图像数据130中沿y方向的变化表示特定z高度的特定变化。可将图像数据130提供至可以与位移传感器的壳体集成的视觉系统过程(处理器)140，或者可以在例如具有用户界面(键盘152、鼠标154和显示器/触摸屏156)的图示的PC的计算设备150上完全或部分地实例化。该PC是包括定制处理器(例如，FPGA)和其他通用计算设备(例如笔记本电脑、平板电脑、智能手机等)的各种处理设备的示例。处理器包括由适当的操作系统处理的多个功能模块或过程/处理器。例如，分别通过处理模块142和144提供对激光器122和传感器组件128的控制132(例如开/关/强度)。处理器140还包括各种用于识别图像中的特征并帮助将运行时图像数据与存储的模板或模型数据147对准的视觉系统工具146(例如边缘检测器、斑点分析器(blobanalyzers)、对比度工具等)。过程(处理器)140包括确定图像数据得到对准的最接近的轮廓候选的广义轮廓确定模块149。可选地，根据块160，将候选轮廓提供给下游处理应用和/或设备。例如，轮廓信息可用于确定对象的缺陷、质量或类型。参考图2，示出了具有投射的照射线220(例如，可见激光)的对象210的示例性图像200。注意，当前曝光水平使得对象210的左区域(箭头230)中的线220看起来比对象210的右区域(箭头240)得到更多曝光。因此，左区域230需要的曝光水平低于右区域240，以实现总体可接受的3D轮廓图像(即，具有清晰一致的线)。图像的其他部分可受益于曝光水平的进一步差异。通常，设置单一曝光水平来提供整体所期待的线反射是不切实际的。因此，当向相同对象210施加较低曝光水平时(如图2中所示)，如图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于确定对象表面的轮廓的系统，包括：/n位移传感器，在表面上投射照射线，并在传感器组件以设定的曝光水平接收反射光；/n处理器，改变设定为多个离散增量的所述曝光水平，并且为每个增量存储所述反射光的图像；以及/n确定过程，对存储的图像进行组合,并相对于模型图像对准组合图像，其中，基于与所述模型图像的接近度选择所述组合图像的点，以提供所述表面的候选轮廓。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170326 US 62/476,850;20180323 US 15/934,7661.一种用于确定对象表面的轮廓的系统，包括：
位移传感器，在表面上投射照射线，并在传感器组件以设定的曝光水平接收反射光；
处理器，改变设定为多个离散增量的所述曝光水平，并且为每个增量存储所述反射光的图像；以及
确定过程，对存储的图像进行组合,并相对于模型图像对准组合图像，其中，基于与所述模型图像的接近度选择所述组合图像的点，以提供所述表面的候选轮廓。


2.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述曝光水平包括激光强度水平。


3.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述曝光水平包括在所述传感器组件处的增益、曝光时间及光圈中的至少一个。


4.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述表面至少部分地限定反射性和半透明性中的至少一个。


5.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述组合图像中的点沿x维度组成为列，并沿z维度按照强度进行加权。


6.根据权利要求5所述的系统，其中，
基于根据预设的统计技术布置的二维核对所述点进行加权。


7.根据权利要求6所述的系统，其中，
所述二维核包括高斯核、序列或均匀核、三角核、双权核和Epanechnikov核中的至少一个。


8.根据权利要求7所述的系统，其中，
基于与所述模型图像中的对应点的接近度，为候选轮廓选择每列中的点。


9.根据权利要求6所述的系统，其中，
使用峰值检测参数选择所述点中的峰值，所述参数包括由所述传感器组件在所述表面上观察到的对比度阈值、强度阈值和所述照射线的宽度中的至少一个。


10.根据权利要求5所述的系统，其中，
基于与所述模型图像中的对应点的接近度，为候选轮廓选择每列中的点。


11.根据权利要求1所述的系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·Y·李，孙立，洛维尔·D·雅各布森，雷·王，
申请(专利权)人：康耐视公司，
类型：发明
国别省市：美国;US