用于确定测量对象表面上的3D坐标的光学测量方法和测量系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于确定测量对象表面（1s）的多个测量点的3D坐标的光学测量方法。为此，使用投影器（3）以各种图案（2a、2b）的图案序列来照射测量对象表面（1s），用相机系统（4）记录被图案序列照射的测量对象表面（1s）的图像序列，并且通过评估图像序列来确定测量点的3D坐标。根据本发明专利技术，在图像序列被记录时，至少在图像序列的单独图像的照射时间内，至少按照使得在图像序列的各个单独图像的照射时间内在每一种情况下能够获得加速度的多个值具体地大量的值的测量速率，来测量投影器（3）、相机系统（4）和/或测量对象（1）的平移和/或旋转加速度。因而当确定3D坐标时，能够基于测量到的加速度在算法上将投影器（3）、相机系统（4）和/或测量对象（1）的移动考虑在内，该移动在图像序列的各个单独图像的照射时间期间发生并且引发图像序列的各个单独图像中的不稳固性和/或运动模糊。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于确定测量对象表面上的3D坐标的光学测量方法和测量系统本专利技术涉及根据权利要求I的前序部分的用于确定测量对象表面的多个测量点的3D坐标的光学测量方法以及根据权利要求9的前序部分的配置为用于这种目的的测量系统。这种类型的设备和方法具体用于机械工程、车辆工程、陶瓷业、制鞋业、珠宝业、牙科技术和人体医学(整形术)和其它领域，并且可以例如用于测量和协议化质量控制、反向工程、快速原型、快速研磨或者数字样机。对运行中的生产工序中大致完整质量控制和对原型机的空间成型的数字化的增长的需求意味着记录表面地形图更加频繁地变为测量任务。这里的目的是在短时间内确定被测量对象的表面的各个点的坐标。可以例如被配置为便携式、手持和/或固定安装的系统的使用本领域已知的图像序列的用于确定测量对象的3D坐标测量系统在此一般具有用于用图案照射测量对象的图案投影器，因此有时称为图案投影3D扫描器或者光结构3D扫描器。投影到测量对象的表面上的图案被作为该测量系统的进一步组成部分的相机系统所记录。因而，作为测量的一部分，投影器用不同图案(例如，不同宽度的平行亮暗条纹，条纹图案可以还例如旋转90° )·在时间上顺序地照射测量对象。相机在相对于投影的已知观察角登记投影的条纹。用每一个相机，针对每一个投影图案记录一个图像。因而，针对全部相机的每一个像素产生了不同亮度值的时间序列。然而，除了条纹以外，还有可能有针对要被投影的其它图案，诸如，例如随机图案、 伪随机码等。适用于此的图案是本领域技术人员根据现有技术中明显已知的。伪随机码使得例如能够更容易地绝对关联对象点，这在非常精细的条纹的投影中变得更困难。为此，能够迅速连续投影头一个或者头几个伪随机码接着投影精细条纹图案，或者在连续记录中， 投影在序列中逐渐变得更精细的不同条纹图案，直至在测量对象表面上的测量点的分辨率上实现期望的精度为止。接着使用根据来自照相测量和/或条纹投影的本领域技术人员已知的方法的图像处理，可以从所记录的图像序列算出测量对象表面的3D坐标。举个例子，在 W02008/046663、DE 101 27 304A1、DE 196 33 686A1 或者 DE 10 2008 036 710A1 中描述了这种测量方法和测量系统。相机系统通常包括一个或者更多个数字相机，在测量期间彼此位于已知的空间位置。为了确保相机相对于彼此的稳定定位，它们通常通过已知的空间定位和配准被固定集成在一个公共壳体中，具体地，其中相机被配准从而各个相机的视场大致交叉。在此，经常使用两个或者三个相机。在此情况下投影器可以固定连接到相机系统(如果还使用了分离的相机，则仅仅连接到相机系统的可用相机)或者完全与相机系统隔开来定位。在一般情况下，即投影器相对于相机系统的相对定位和配置彼此固定因此预先不是已知的情况，用两步来计算表面区域的期望三维坐标。第一步，如下来确定投影器的坐标。在给定的对象点，相机图像中的图像坐标是已知的。投影器对应于反向的相机。可以从针对每一个相机像素的图像序列测量到的一系列亮度值来计算条纹的数量。在最简单的情况下，这通过二进制码(例如，格雷码)来实现，其将条纹的数量描绘为投影器中的离散坐标。因而能够通过称为相移法的方法来实现更高的精度，因为可以确定非离散坐标。它可以作为格雷码的补充来使用或者作为绝对测量外差方法来使用。在由此确定了投影器的位置之后或者在相对于相机系统其位置先前已知的情况下，现在能够例如通过交叉法按照以下方式确定测量对象表面上的测量点的3D坐标。投影器中的条纹数量对应于相机中的图像坐标。条纹数量指出空间中的光平面，图像坐标指出光束。在相机和投影器位置已知的条件下，可以算出该平面和直线的交叉点。这是在传感器的坐标系统中对象点的期望三维坐标。必须精确地知道全部图像束中的集合位置。从照相测量法已知，使用交叉法来精确计算束。为了在用于计算3D坐标的这种测量方法中实现更好的精度，真实透镜系统的非理想属性(会导致图像失真)可以通过失真校正来自适应和/或可以进行成像属性的精确校准。在本领域技术人员已知的校准处理中(例如，一系列校准记录)，投影器和相机的全部成像属性都可以被测量，并且可以从中产生用于描述这些成像属性的数学模型(使用摄影测量法)-具体地，打捆等式计算(bundling equalizationcalculation) 一例如从一系列校准记录确定用于限定成像属性的参数。概括地说，在图案投影方法中或者在光结构3D扫描器中，因而必须用一系列光图案来照射对象，以使得在三角测量(交叉)的帮助下能够不含糊地确定测量区域中的测量点的深度。因而，为了确保测量结果的充分高的精度，通常必须有在用对应的不同图案投影 (即，用对应的系列图案)对测量对象照射下的多个记录(即，一系列图像)。在从现有技术已知的手持系统中，诸如例如在WO 2008/046663中描述的测量设备中，照射序列必须足够快地发生以使得在一系列图像的记录期间操作员的移动不导致测量错误。各个投影器的相机所记录的像素必须能够以足够的精度彼此配准。因而，图像序列必须比操作员造成的图案或者图像移位更快地发生。由于投影器的可发射光能量受到可用光源以及辐射保护规定的限制，这导致相机系统的可检测能量的限制因而导致对弱反射测量对象表面的测量的限制。投影器进一步在投影速度(图像速率)方面受到限制。这种投影器的通常最大图像速率例如在60Hz左右。对于包括投影一系列图案并且用相机系统记录各个图案的图像序列的测量操作， 例如，例如用现有的测量设备约200ms的测量持续时间是必须的(示例为了记录从8到10 个图像的序列，其中每一图像20ms到40ms的曝光持续时间，例如，可以得到每一测量位置的160ms到400ms之间的总记录时间或者测量持续时间)。在测量操作期间(在测量位置)，在相机装置、投影器(或者，如果适当，以集成方式包含相机装置和投影器的测量头)和测量对象之间不充分稳固性的情况下或者在不充分高的定位和配准稳定性的情况下，可能发生各种不期望的效果，这使得评估更困难，更复杂， 甚至不可能，或者至少对可获得的精度产生负面影响。相机装置、投影器(或者，如果适当，以集成方式包含相机装置和投影器的测量头) 或者测量对象的不令人满意的稳固性在此可以有各种原因。首先，测量环境中的摇晃(例如，如果测量是在集成在生产线上的生产台上进行) 会传递到测量对象的夹具或者传递到把持测量头的机械臂因而造成干扰性的振荡。因此，用于振荡阻尼而复杂的措施至此变为必需，或者必须移动到特定测量空间中，然而，这使生产处理明显更复杂(因为必须将测量对象从生产线上移开并且运送到专门设计的测量空间中)。在手持系统中，稳固性不令人满意的主要原因具体是自然人用户的自然震颤。这里要提到的可能由缺乏相机装置、投影器和测量对象相对彼此的定位和方向稳定性导致的负面效果首先是图像序列的各个记录图像中的运动模糊和/或相机摇晃。第二，然而，图像序列的单独图像相对于彼此关于各个记录位置和相对于测量对象的方向上的不一致性(也就是，图像序列中的单独图像的记录位置和方向的变化性)可能发生，从而使单独图像中的像素与测量对象表面上的相同测量点的各个关联完全不可能或者通过巨大的计算复杂度并且将测量对象表面的相同区域的多个图像本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.06.21 EP 10166672.51.一种用于确定测量对象表面(Is)的多个测量点的3D坐标的光学测量方法，所述方法包括以下步骤 使用投影器(3)以不同图案(2a、2b)的图案序列来照射所述测量对象表面(ls)， 使用相机系统(4)来记录被所述图案序列照射的所述测量对象表面(Is)的多个单独图像的图像序列，以及 通过评估所述图像序列来确定所述测量点的3D坐标，尤其是其中，针对所述图像序列的各个图像中的所述测量对象表面(Is)的相同测量点确定一系列亮度值，所述方法的特征在于， 在至少在所述图像序列的单独图像的曝光时间期间记录所述图像序列期间，以至少这样的测量速率来测量所述投影器(3 )的、所述相机系统(4 )的和/或所述测量对象(I)的平移和/或旋转加速度，即，该测量速率使得在所述图像序列的各个单独图像的曝光时间期间在每一种情况下捕捉所述加速度的多个值，尤其是大量值，以及 在基于测量到的加速度来确定3D坐标时，在算法上将所述投影器(3)的、所述相机系统(4)的和/或所述测量对象(I)的移动考虑在内，所述移动引起所述图像序列的各个单独图像中的相机摇晃和/或运动模糊并且发生在所述图像序列的各个单独图像的曝光时间期间。2.根据权利要求I所述的光学测量方法，其特征在于，在全部六个自由度上测量所述投影器(3)的、所述相机系统(4)的和/或所述测量对象(I)的加速度，并且尤其是在记录所述图像序列的整个操作期间以特定测量速率特别是大约50Hz到2000Hz之间来连续测量所述加速度。3.根据权利要求I或2所述的光学测量方法，其特征在于，依赖于测量到的加速度，在所述图像序列的单独图像中分别执行对相机摇晃和/或运动模糊的补偿和/或校正，所述相机摇晃和/或运动模糊是由在所述图像序列的各个单独图像的曝光时间期间发生的所述投影器(3)的、所述相机系统(4)的和/或所述测量对象 (O的移动所导致的，其中，特别地，所述移动是由 用户将所述投影器(3)、所述相机系统(4)和/或所述测量对象(I)把持在他的手中导致的，具体地是由手抖和不经意造成的，或者 所述投影器(3)、所述相机系统(4)和/或所述测量对象(I)的保持件的摇晃或者振荡导致的。4.根据权利要求I到3中任何一项所述的光学测量方法，其特征在于，在记录所述图像序列或者多个图像序列的整个操作期间，测量所述加速度，并且利用测量到的加速度以计算方式将通过针对测量点的3D坐标评估所述单独图像而获得的信息结合到一起，具体地，其中在记录的操作期间， 为了放大所述测量对象表面(Is)上的测量区域， 为了稠密化所述测量区域并由此增大所述测量对象表面(Is)上的测量点密度，和/或 为了改变所述图案序列的各个图案(2a、2b)中的在用大致相干光辐射照射的情况下意外出现的散斑场，并由此用于减小由这种散斑场导致的局部测量不准确度或者测量点间隙，移动所述测量对象(I)、所述相机系统(4)和/或所述投影器(3)，具体地，其中为此目的实现的移动是由 将所述测量对象(I)和/或所述相机系统(4)把持在他的手中的用户实现的，和/或 用于所述投影器(3)、所述相机系统(4)和/或所述测量对象(I)的为此设计并且被手动控制或者以自动编程方式控制的保持件，具体地为机械臂，实现的。5.根据权利要求4所述的光学测量方法，其特征在于，对于在计算上将所记录的单独图像之间的相对于彼此的关于它们相对于测量对象(I) 的记录位置和方向的空间关系结合到一起，所述关系是从测量到的加速度导出的，被用作开始条件使得在计算上结合到一起本身相比于不使用这种开始条件的方法需要减少的计算花费。6.根据权利要求I到5中任何一项所述的光学测量方法，其特征在于，根据三角测量原理以摄影测量方式根据所述图像序列以及对在所述图像序列的单独图像中捕捉到的图案序列的图案的了解，具体地使用交叉来确定所述测量点的3D坐标。7.根据权利要求I到6中任...

【专利技术属性】
技术研发人员：克努特·西尔克斯，
申请(专利权)人：莱卡地球系统公开股份有限公司，
类型：
国别省市：