确定测量物体表面上的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物体表面（1s）的多个测量点的3D坐标的光学测量方法。为此，通过投影仪（3）以不同图案（2a）的图案序列来照射所述测量物体表面（1s），利用摄像机系统来记录被照射以所述图案序列的所述测量物体表面（1s）的图像序列，并且通过估计所述图像序列来确定所述测量点的3D坐标，具体来说，其中，在所记录的图像序列中的相应图像中确定针对所述测量物体表面（1s）上的相同测量点的连续亮度值。根据本发明专利技术，在此，测量所述投影仪（3）、所述摄像机系统和/或所述测量物体（1）的平移加速度和/或旋转加速度，并且根据所测量的加速度，调整对所述测量物体表面（1s）的照射和/或对所述图像序列的记录，具体来说，在所述测量处理期间，在时间上大致直接且现场反应性地调整。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】确定测量物体表面上的3D坐标的光学测量方法和测量系统
本专利技术涉及用于确定测量物体表面的大量测量点的3D坐标的光学测量方法，并且涉及出于相同目的而设计的测量系统。
技术介绍
具体来说，这种装置和方法被用于机械工程、汽车工程、陶瓷工业、制鞋工业、珠宝工业、牙科技术与人类医学(矫形术)以及另一些领域，并且例如在用于质量控制、逆向工程、快速原型、快速铣削或数字实体模型的测量和记录方面被采用。对于生产工序期间的大致完整的质量控制，和对于原型的空间形状的数字化的不断增长的需求导致记录表面原型，甚至更频繁发生的测量任务。在这种情况下，该任务造成短时间确定要测量物体表面的各个点的坐标。从现有技术已知的测量系统使用图像序列并且用于确定测量物体的3D坐标，其例如可以被设计为便携式、手持式和/或永久安装系统，在这种情况下，通常具有用于利用某个图案来照射该测量物体的图案投影仪，并由此有时还被称为图案投影3D扫描仪或轻型结构3D扫描仪。由作为测量系统的另一组件的摄像机系统来记录投影到测量物体表面上的图案。在测量期间，投影仪这样利用不同图案(例如，具有不同宽度的平行光与暗条纹，具体来说，该条纹图案例如还可以旋转例如90°)按时间次序地照射。摄像机按照针对投影的已知视角来登记所投影的条纹图案。利用每一个摄像机来记录针对每一个投影图案的图像。由此，获得了针对所有摄像机的每一个像素的不同亮度值的时间序列。然而，除条纹以外，在这种情况下，还可以投影其它合适图案，举例来说，如随机图案、伪码等。根据技术发展水平，适于这种情况的图案是本领域技术人员充分已知的。通过示例的方式，伪码使能更容易绝对对准物体点，但在投影非常精细的条纹时变得愈加困难。由此，为了这个目的，或者可以首先快速连续投影一个或更多个伪码，后面是精细条纹图案，不然就以连续记录投影按次序变得更精细的条纹图案，直到按测量物体表面上的测量点的分辨率实现希望精度为止。接着，可以利用这一领域的技术人员已知的方法，借助于根据摄影测量和/或条纹投影的图像处理，根据所记录的图像序列来计算测量物体表面的3D坐标。例如，这种测量方法和测量系统在WO2008/046663、DE10127304A1、DE19633686A1，或DE102008036710A1中进行了描述。该摄像机系统通常包括一个或更多个数字摄像机，其在按已知空间位置测量期间彼此相对地定位。为了确保摄像机的彼此相对的稳定位置，它们主要以已知空间定位和对准，按固定方式一起集成在公用壳体中，具体来说，这些摄像机按各个摄像机针对大部分的视野交叠的方式来对准。在这种情况下，通常使用两个或三个摄像机。这里，投影仪可以永久地连接至摄像机系统(在这种情况下，使用分离摄像机，而且，这些摄像机中的仅仅部分摄像机存在于摄像机系统中)，或者也可以与摄像机系统完全分离地定位。在一般情况下，就是说，在投影仪与摄像机系统相对的相对定位和对准彼此相对地固定并由此不是预先已经了解的情况下，该表面的希望三维坐标按两个步骤来计算。在第一步骤中，投影仪的坐标因而确定如下。摄像机图像中的图像坐标相对于指定物体点是已知的。投影仪对应于反转摄像机(reversedcamera)。已经根据针对每一个摄像机像素的图像序列测量的亮度值序列可以被用于计算条纹的编号。在最简单的情况下，这经由将条纹的编号标记为投影仪的离散坐标的二进制码(例如，格雷码(Graycode))来完成。可以利用所谓的相移方法来实现更高的精度，因为其可以确定非离散坐标。其可以被用作格雷码的补充，或者用作绝对测量外差法。一旦按这种方式确定了投影仪位置，或者假定所述位置已经预先相对于摄像机系统是已知的，就可以如下确定测量物体表面上的测量点的3D坐标，例如，利用正截面(forwardsection)方法。投影仪中的条纹编号对应于摄像机中的图像坐标。该条目编号指定空间中的光平面，该图像坐标指定光束。假定已知摄像机和投影仪位置，可以计算该平面和直线的交点。这是物体点在传感器的坐标系统中的希望三维坐标。所有图像射束的几何位置必须精确地了解。这些射束的精确计算利用根据摄影测量了解的正截面来执行。为了在用于计算3D坐标的这种测量方法中实现更高的精度，可以通过失真修正来调整导致图像失真的真实透镜系统的非理想特性，和/或可以执行成像特性的精度校准。在这种情况下，投影仪和摄像机的所有成像特性都可以在本领域技术人员已知的校准过程(例如，一系列校准图像)期间测量，据此，可以创建用于描述这些成像特性的数学模型(例如，指定成像特性的参数利用摄影测量方法(具体来说，束调节计算)根据该系列校准图像来确定)。总之，已经证明，对于图案投影方法或轻型结构3D扫描仪的情况来说，必须利用一系列光图案来照射物体，以便能够借助于(三角测量(正截面))来唯一地确定测量区域中的测量点的深度。由此，为了确保有关测量结果的足够高的精确程度，大多数情况是需要伴随利用恰当的不同图案投影(就是说，利用恰当的一系列图案)照射测量物体的多个图像(就是说，一系列图像)。对于根据目前发展水平已知的手持式系统的情况来说(举例来说，如WO2008/046663中描述的测量装置)，该照射序列在此必须快速进行，使得在记录该系列图像期间操作员的移动不会导致测量错误。对于由摄像机记录的相应投影的像素来说，可能必须令人满意地彼此对准。由此，该图像序列必须比操作员造成的图案移位或图像移位更快。因为投影仪的可发射光学能量受到了可用光学源和辐射保护计算的限制，所以这导致限制了摄像机系统中的可检测能力，并由此，导致限制了针对弱反射测量物体表面的测量。而且，该投影仪具有有限投影速度(帧速率)。这种投影仪的通常最大帧速率例如大约为60Hz。通过示例的方式，对于涉及投影一系列图案并且利用摄像机系统记录相应图案的图像序列的测量处理来说，常规测量装置需要大约200ms的测量时段(作为一示例：假定每图像20ms至40ms的曝光时间，记录8至10个图像的序列例如可以导致每测量位置160ms与400ms之间的总记录时间或测量时段)。由此，当在具有足够稳定性和/或具有足够高把持的位置和对准的测量处理(在测量位置)期间，摄像机排布结构、投影仪(和/或，若合适的话，集成了摄像机排布结构和投影仪的测量头)以及测量物体未彼此相对地保持时，可能会造成妨碍、复杂化甚或阻扰估计，或者至少负面地影响可实现精度的各种不希望的结果。不同原因可以成为针对摄像机排布结构的、投影仪的(和/或，若合适的话，集成了摄像机排布结构和投影仪的测量头)或者测量物体的不足稳定性的问题。首先，测量环境中的振动可以(例如，假设在集成于生产线中的生产台处执行测量)被传送至测量物体的把持方，或者也可以传送至把持测量头的机器人手臂，并由此导致干扰振动。从而，需要针对振动阻尼的复杂化措施，或者需要针对特定测量设施去除，但这极大地复杂化了生成过程(因为测量物体必须从生产线去除，接着传送到针对其恰当设置的测量设施中)。对于手持式系统，不能足够稳定地把持的主要原因是，具体来说，人类用户的手的自然抖动。一方面，可能提到图像序列中的各个记录图像的运动模糊和/或模糊度，作为可能因用于彼此相对地保持摄像机排布结构、投影仪以及测量物体的位置和对准的不足能力而造成的负面结果本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于确定测量物体表面（1s）的大量测量点的3D坐标的光学测量方法，该光学测量方法具有以下步骤：·利用投影仪（3）以不同图案（2a、2b）的图案序列来照射所述测量物体表面（1s），·利用摄像机系统（4）来记录被照射以所述图案序列的测量物体表面（1s）的图像序列，以及·通过估计所述图像序列，具体来说，估计在所记录的图像序列的各个图像中确定的所述测量物体表面（1s）的相同测量点的一系列亮度值，来确定所述测量点的3D坐标，其特征在于，测量·所述投影仪（3）、·所述摄像机系统（4）和/或·所述测量物体（1）的平移加速度和/或旋转加速度，并且反应性地调整，具体来说，根据所测量的加速度，在测量处理期间在时间上大致直接地且现场地调整对所述测量物体表面（1s）的照射和/或对所述图像序列的记录。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.05.19 EP 11166780.41.一种用于确定测量物体表面的大量测量点的3D坐标的光学测量方法，该光学测量方法具有以下步骤：·利用投影仪以不同图案的图案序列来照射所述测量物体表面，·利用摄像机系统来记录被照射以所述图案序列的测量物体表面的图像序列，以及·通过估计所述图像序列来确定所述测量点的3D坐标，其特征在于，测量·所述投影仪、·所述摄像机系统和/或·所述测量物体的平移加速度和/或旋转加速度，并且根据所测量的加速度反应性地调整对所述测量物体表面的照射和/或对所述图像序列的记录。2.根据权利要求1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仪、所述摄像机系统和/或所述测量物体的加速度，并且至少在所述图像序列的各个图像的曝光时间期间，以特定测量速率来连续执行所述加速度的测量。3.根据权利要求2所述的光学测量方法，其特征在于，所述加速度的所述测量在照射所述测量物体表面和记录所述图像序列或多个图像序列的整个处理期间执行。4.根据权利要求1所述的光学测量方法，其特征在于，通过估计所述图像序列来确定所述测量点的3D坐标包括：确定在所记录的图像序列的各个图像中确定的所述测量物体表面的相同测量点的一系列亮度值。5.根据权利要求1所述的光学测量方法，其特征在于，在测量处理期间在时间上大致直接地且现场地反应性地调整对所述测量物体表面的照射和/或对所述图像序列的记录。6.根据权利要求1或2所述的光学测量方法，其特征在于，以1Hz到2000Hz之间的特定测量速率连续执行所述加速度的测量。7.根据权利要求1或2所述的光学测量方法，其特征在于，以50Hz到2000Hz之间的特定测量速率连续执行所述加速度的测量。8.根据权利要求1或2所述的光学测量方法，其特征在于，根据借助于所测量的加速度在所述照射期间得到的所述投影仪、所述摄像机系统和/或所述测量物体的当前动态水平，在时间上大致直接地对得到各个当前动态水平做出反应地来调整所述图案序列。9.根据权利要求8所述的光学测量方法，其特征在于，·对所述图案序列的要连续投影的不同图案的次序进行调整，和/或·对要投影的各个图案的亮度进行调整，和/或·对要投影的各个图案的投影时段进行调整，和/或·对要投影的各个图案的投影时刻进行调整，和/或·对要投影的各个图案的精细程度和/或构造进行调整，和/或·以这种方式对所述图案序列的各个图案进行调整，即，在投影所述图案期间，使得由此在所述测量物体表面上产生的照射结构保持在所述测量物体表面上的稳定位置，至少在为获取以该图案照射的所述测量物体表面而提供的所述图像序列的图像的曝光时间期间，和/或·对要投影的各个图案在所述测量物体表面上的区域覆盖范围和/或尺寸进行调整，和/或·对用于照射要投影的各个图案的光学辐射的波长进行调整。10.根据权利要求9所述的光学测量方法，其特征在于，以这样的方式对所述图案序列的要连续投影的不同图案的次序进行调整，即，使得所述图案序列中的具有相对较低精细程度的那些图案以相对较高的当前动态水平来投影，且所述图案序列中的具有相对较高精细程度的那些图案以相对较低的当前动态水平来投影。11.根据权利要求1或2所述的光学测量方法，其特征在于，根据借助于所测量的加速度在照射期间得到的所述投影仪、所述摄像机系统和/或所述测量物体的当前动态水平，在时间上大致直接地对得到各个当前动态水平做出反应地来调整所述图案序列。12.根据权利要求11所述的光学测量方法，其特征在于，·对要记录的各个图像的相应粒化程度进行调整，和/或·对要记录的各个图像的相应曝光时间进行调整，和/或·对要记录的各个图像的记录时刻进行调整，和/或·对要记录的各个图像的相应获取区域进行调整，和/或·对要记录的各个图像的相应孔径宽度进行调整。13.根据权利要求1或2所述的光学测量方法，其特征在于，·所述投影仪具有壳体，·测量所述壳体的旋转加速度和平移加速度，以及·大致实时地并且根据所测量的所述壳体的加速度，按照以下方式相对于所述壳体来调整所述投影仪的投影方向和/或投影源位置，即，使得所述壳体的移动得到补偿，并由此使得至少在每一种情况下记录所述图像序列的各个图像期间，所述投影仪的所述投影方向和/或所述投影源位置大致保持恒定。14.根据权利要求13所述的光学测量方法，其特征在于，所述投影仪具有使所述投影仪和所述摄像机系统共同成为一体的测量头壳体。15.根据权利要求13所述的光学测量方法，其特征在于，使得因振动或手抖而导致不稳定把持所造成的移动得到补偿。16.根据权利要求1或2所述的光学测量方法，其特征在于，·具有至少一个摄像机的所述摄像机系统具有壳体，·测量所述壳体的旋转加速度和平移加速度，以及·大致实时地并且根据所测量的所述壳体的加速度，按照以下方式相对于所述壳体来调整所述摄像机系统的所述至少一个摄像机的获取方向和/或记录位置，即，使得所述壳体的移动得到补偿，并由此使得至少在每一种情况下记录所述图像序列的各个图像期间，所述摄像机系统的所述至少一个摄像机的所述获取方向和/或所述记录位置大致保持恒定。17.根据权利要求16所述的光学测量方法，其特征在于，所述摄像机系统具有使所述投影仪和所述摄像机系统共同成为一体的测量头壳体。18.根据权利要求16所述的光学测量方法，其特征在于，使得因振动或手抖而导致的不稳定把持所造成的移动得到补偿。19.根据权利要求1或2所述的光学测量方法，其特征在于，·根据所测量的加速度，得到当前测量进展和/或测量处理调整参数，并且将所述参数投影到所述测量物体表面上，以引导用户并且最优化所述测量处理。20.根据权利要求19所述的光学测量方法，其特征在于，另外根据至少粗略了解的或者先前至少粗略确定的所述测量物体表面的3D坐标，得到当前测量进展和/或测量处理调整参数，并且将所述参数投影到所述测量物体表面上，以引导所述用户并且最优化所述测量处理。21.根据权利要求19所述的光学测量方法，其特征在于，根据从所述加速度得到的所述投影仪、所述摄像机系统和/或所述测量物体的当前位置和取向，得到当前测量进展和/或测量处理调整参数，并且将所述参数投影到所述测量物体表面上，以引导所述用户并且最优化所述测量处理。22.根据权利要求19所述的光学测量方法，其特征在于，与·所述投影仪和/或所述摄像机系统在进一步的测量处理期间要对准的测量方向，和/或·所述投影仪和/或所述摄像机系统在进一步的测量处理期间要采用的测量位置，和/或·所述投影仪和/或所述摄像机系统要尽可能稳定保持在不变的测量方向和测量位置下的保持时段，和/或·借助于所测量的加速度而得到的所述投影仪、所述摄像机系统和/或所述测量物体的当前动态水平，有关的信息被投影为所述测量进展和/或测量处理调整参数。23.根据权利要求20所述的光学测量方法，其特征在于，与·所述投影仪和/或所述摄像机系统在进一步的测量处理期间要对准的测量方向，和/或·所述投影仪和/或所述摄像机系统在进一步的测量处理期间要采用的测量位置，和/或·所述投影仪和/或所述摄像机系统要尽可能稳定保持在不变的测量方向和测量位置下的保持时段，和/或·借助于所测量的加速度而得到的所述投影仪、所述摄像机系统和/或所述测量物体的当前动态水平，有关的信息被投影为所述测量进展和/或测量处理调整参数。24.根据权利要求21所述的光学测量方法，其特征在于，与·所述投影仪和/或所述摄像机系统在进一步的测量处理期间要对准的测量方向，和/或·所述投影仪和/或所述摄像机系统在进一步的测量处理期间要采用的测量位置，和/或·所述投影仪和/或所述摄像机系统要尽可能稳定保持在不变的测量方向和测量位置下的保持时段，和/或·借助于所测量的加速度而得到的所述...

【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：赫克斯冈技术中心，
类型：
国别省市：