專利名稱：測量物體形狀的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及光學計量，更具體地說，涉及利用編碼的干涉條紋圖的三維形狀測量技術。
背景技術：
計量是測量的科學，是制造過程的重要方面。三維物體的非接觸式測量是計量學中的重要方面，光學方法在此領域起著重要的作用。光學三維形狀測量技術大致可分為兩類技術掃描技術和非掃描技術。掃描技術的一個實例就是激光雷達。在此技術中，激光雷達通過用激光束掃描物體表面來檢測物體的形狀。用物體反射的光來創建物體模型。掃描方法，例如激光雷達，一般都很費時，因為它們需要進行一維或二維掃描來覆蓋物體的整個表面。
測量三維表面的非掃描式技術通常比掃描技術要快些。而且，檢索三維輪廓信息的圖像處理也比較簡單易懂。非掃描技術的一個實例是干涉條紋投影方法。干涉條紋投影方法是通過將干涉條紋圖投影到待測物體上來進行三維形狀測量的一種方法。攝像機，或其它圖像檢測裝置，捕獲已調制的干涉條紋圖，即，來自物體表面的投影的干涉條紋圖的圖像。然后對這些圖像進行處理，以便構建物體的三維形狀。
干涉條紋投影方法可用于大物體(一次測量中為數米大小)和小物體(微米大小)。相移技術可以和干涉條紋檢測技術一起使用。相移技術的一些優點包括高測量精度，大約為波的1/1000，快速測量能力，以及具有低反差干涉條紋的良好結果。在相移技術中，利用一些算法從攝像機捕獲的物體已調制干涉條紋圖的圖像來建立相圖。通常，需進行相位包裹和相位展開以獲得連續的相圖，從而獲得三維形狀。傳統的相移測量系統獲得包裹的相圖，其重復相位值從0到360度。但在相圖上沒有起始點或結束點，使得建模過程幾乎不可能完成。
所以，需要有一種改進的方法，以便在利用非掃描技術的非接觸式三維形狀測量方法中提高測量的精度。更具體地說，需要改進三維干涉條紋投影方法來解決上述問題。
發明內容
簡言之，按照一個實施例，本技術提供用于測量物體形狀的系統。所述系統包括投影系統，可用于將具有干涉條紋參考標記的干涉條紋圖投影到物體上。所述系統還包括圖像處理系統，可用于捕獲由物體所調制的干涉條紋圖的圖像。圖像處理系統還用于識別干涉條紋圖的圖像中的參考標記，以便根據參考標記來構建物體的形狀。
按照另一方面，本技術提供測量物體形狀的方法。所述方法包括將具有標記的編碼的干涉條紋圖投影到物體上。然后識別由物體調制的編碼的干涉條紋圖的相位包裹的圖像中的所述標記。所述方法還包括利用所述標記作為絕對坐標系的參考點為相位包裹的圖像建立絕對坐標系。
在參閱附圖閱讀了以下詳細說明后，就能更好地理解本發明的這些和其它特征、方面和優點，在所有附圖中相同的標號代表相同的部件，附圖中圖1是按照本技術示范實施例的編碼干涉條紋投影形狀測量系統的圖解表示；圖2是按照本技術示范實施例的干涉條紋投影系統的圖解表示；圖3是按照本技術另一實施例的干涉條紋投影系統的圖解表示；圖4是按照本技術示范實施例的編碼的干涉條紋圖的圖像；圖5是按照本技術示范實施例的測量物體形狀的過程的方框圖；
圖6是按照本技術示范實施例的用于生物測定掃描的編碼干涉條紋投影系統的圖解表示。
元件清單10物體形狀測量系統；12物體；14投影裝置；16成像裝置(攝像機)；18編碼的干涉條紋圖；20投影的編碼的干涉條紋圖(已調制的干涉條紋圖)的圖像；22控制系統；24圖像界面；26圖像處理系統；28操作員工作站；30顯示器模塊；32打印機模塊；34PACS；36內部工作站；38外部工作站；40內部數據庫；42外部數據庫；44干涉儀干涉條紋投影系統；46光源；48準直透鏡；50射束分離器；52折疊鏡面；54平面鏡面；56來自光源的光束；58射向折疊鏡面的光束；60射向平面鏡面的光束；62折疊鏡面中的狹縫；64折疊鏡面的一部分；66折疊鏡面的一部分；68來自折疊鏡面的反射光束；70來自平面鏡面的反射光束；72具有標記的編碼的干涉條紋圖；74衍射光柵系統；76光源；78準直透鏡；80來自光源的光束；82光柵元件；84具有標記的編碼的干涉條紋圖；86具有標記的編碼的干涉條紋圖；88亮干涉條紋；90暗干涉條紋；92標記；93測量物體形狀的方法；94產生具有標記的編碼的干涉條紋圖；96把具有各種相位移的編碼的干涉條紋圖投影到物體上；98捕獲具有各種相位移的已調制的干涉條紋圖的圖像；100包裹相圖；102展開相圖；104識別標記；106產生絕對相圖；108重構物體形狀；110用于生物測定掃描的系統(虹膜掃描)；112人。
具體實施例方式
本技術一般針對編碼干涉條紋投影技術，用于測量物體形狀并產生有用的圖像和數據供工業應用。這些技術利用將編碼的干涉條紋圖投影到物體上，捕獲并處理所投影的編碼的干涉條紋圖的圖像，來重構物體的三維形狀。這些技術也適用于其它領域，例如生物測定掃描，用于為安全目的建立個人身份。
現轉向附圖，首先參閱圖1，圖中示出編碼的干涉條紋投影測量系統的示范實施例。編碼的干涉條紋投影測量系統10可用來測量三維物體12的形狀。圖示的編碼的干涉條紋投影測量系統10包括編碼的干涉條紋投影裝置14和成像裝置16。編碼的干涉條紋投影裝置14用于將編碼的干涉條紋圖18投影到物體12上。利用明顯特征或標記將干涉條紋圖編碼。標記可以是單獨的標記、醒目的干涉條紋圖或者是可以投影到物體12上的其它類型的參考點標識符。此外，編碼的干涉條紋投影裝置14用于使編碼的干涉條紋圖移相。編碼的干涉條紋投影裝置14可以包括干涉儀、衍射光柵系統、全息光柵系統、數字干涉條紋投影系統或者是能將具有各種相位移的編碼的干涉條紋圖投影到物體12上的其它類型的投影系統。
編碼干涉條紋投影測量系統10的成像裝置16用于檢測由物體12調制的編碼的干涉條紋圖20的圖像。成像裝置16可以是電荷耦合器件(CCD)攝像機或互補金屬氧化物半導體(CMOS)攝像機。還有，攝像機可以是數字型的或模擬型的。在此實施例中，編碼的干涉條紋投影測量系統10還包括用于控制編碼的干涉條紋投影裝置14和成像裝置16的工作的控制系統20。
設置用作成像裝置16和圖像處理系統26之間的接口的圖像接口24。圖像接口24可以是幀接收器，所述幀接收器可以用于從一系列許多幀中記錄具有模擬或數字視頻信息的單一數字幀。圖像接口24可以接收來自成像裝置16的信號并將信號轉換成幀。這些幀然后就被提供到圖像處理系統26。圖像處理系統26用于處理圖像，產生物體12的相圖或相位包裹圖。圖像處理系統26計算每個攝像機像素的相位值。將相圖展開，以重構物體12的形狀。
圖像處理系統26和控制系統22可以連接到操作員工作站28，或類似的計算裝置。圖像處理系統26可以配置成接收來自操作員工作站28的指令和成像參數。操作員工作站28可以包括輸入裝置，例如鍵盤、鼠標以及其它用戶交互裝置(未示出)。操作員工作站28可以用來定制用于測量物體形狀的各種設定值，并實現系統級的配置改變。因此，操作員可以通過操作員工作站28來控制系統10。
操作員工作站28還可以連接到顯示器模塊30和打印機模塊32。顯示器模塊30可以配置成顯示物體的三維圖像。打印機模塊32可以用來產生圖像的硬拷貝。而且操作員工作站28還可以連接到圖片歸檔系統(PACS)34，以歸檔圖像。PACS可再通過網絡連接到內部工作站36和/或外部工作站38，使在不同位置的人獲得圖像和圖像數據。編碼的干涉條紋投影測量系統10還可以通過內部工作站36向內部數據庫40發送數據和接收其數據。同理，系統10還可以通過外部工作站38向外部數據庫42發送數據和接收其數據。本專業的技術人員會理解，系統10可以或者用來測量物體的形狀或者用來把測量的物體形狀與已有的數據庫進行比較。
現參閱圖2，圖中示出干涉儀44，它用作產生編碼的干涉條紋圖的干涉條紋投影成像系統的實例。干涉儀44配置成將兩個光束結合在一起以產生干涉條紋圖。干涉儀44包括光源46、準直透鏡48、射束分離器50、折疊鏡面52以及平面鏡面54。光源46用于產生光束56。如圖所示，射束分離器50以大約45度角定位并且涂有一種材料，可以反射大約一半的光并透射其余的光。光束56穿過準直透鏡48到達射束分離器50。來自光源46的光束被分離，使得第一部分光58反射到折疊鏡面52，而第二部分光60透射過射束分離器50射向平面鏡面54。折疊鏡面52具有中分面62和彼此保持一定角度的兩部分64和66。第一部分光58被折疊鏡面52反射回射束分離器50，第二部分光60被平面鏡面54反射回射束分離器50。第一部分光58的反射光束68和第二部分光60的反射光束70在射束分離器50互相干涉，形成干涉條紋圖72。移動鏡面52的中分面62使干涉條紋圖72中產生標記。折疊鏡面52或平面鏡面54的位置偏移半波長距離可使干涉條紋圖偏移一個干涉條紋。此方法適用于移相技術。
現參閱圖3，圖中示出衍射光柵系統74，它用作產生編碼的干涉條紋圖的干涉條紋投影系統的附加實例。衍射是傳播波的波前在障礙物附近彎折的一種現象。衍射光柵是一組平行的狹縫，用于利用衍射使光色散。在衍射光柵系統74中，光源76和準直透鏡78用來將光80引導到衍射光柵82。衍射光柵82可以是反射的，或如圖所示的透明的基底，并包括具有很細的、平行的、等間距的溝槽陣列。這些溝槽產生衍射和互相干涉，最終形成干涉條紋圖84。在典型的衍射光柵中，所有溝槽或狹縫都是平行的和等距分布的。所以，所產生的干涉條紋圖的線條也都是平行和相等的。但在此實施例中，溝槽不是等距分布的，所以所產生的干涉條紋圖的線條不是等距分布的。
現參閱圖4，圖中示出編碼的干涉條紋圖86的實例。它包括亮干涉線條88，暗干涉線條90，以及作為標記92的較窄的暗干涉線條92。標記92用作干涉條紋圖86的參考點。如果沒有標記92，干涉條紋圖86只不過是一系列平行的線條。
現參閱圖5，圖中示出利用編碼的干涉條紋圖測量三維物體形狀的過程，所述過程總的用標號93表示。在此過程中，產生編碼的干涉條紋圖，以方框94表示。然后將具有各種相移的編碼的干涉條紋圖投影到物體上，以方框96表示。采用相移技術，將具有各種相移(從0度到360度)的編碼的干涉條紋圖投影到物體上。被物體表面所調制的、具有各種相移的投影的編碼的干涉條紋圖的圖像由成像裝置捕獲，以方框98表示。投影裝置投影編碼的干涉條紋圖的角度和成像裝置捕獲已調制編碼的干涉條紋圖的圖像的角度是不同的。為了補償這個角度差，可以變換已調制編碼的干涉條紋圖的圖像坐標。
所獲得的相移圖像的數目可以改變。通常，通過解不同相角的相移參考圖像來計算包裹的相圖，以方框100表示。包裹的相圖具有在-π弧度到+π弧度之間的周期值。將所述包裹的相圖展開，以便產生代表“地形”(terrain)的相位值的連續變化，以方框102表示。通過在數值每次從2π弧度跳躍到0或從0跳躍到2π弧度時加上或減去2π弧度來展開所述包裹的相圖。展開的相圖看上去類似于輪廓圖。從展開的相圖中可以提取位移的幅度和方向。然后識別展開的相圖中的標記，以方框104表示。根據識別的在展開的相圖中的標記，從編碼的干涉條紋圖產生絕對相圖，以方框106表示。然后可以計算絕對坐標系中的坐標，無任何失真地建立物體模型或重構物體形狀，以方框108表示。
現參閱圖6，圖中示出可以用來對人體112進行生物測定掃描的生物測定掃描系統110。生物測定掃描可以是虹膜(眼睛)掃描、指紋掃描或可以用于建立個人112身份的其它技術。系統110基本上類似于圖1所討論的系統10，進行生物掃描的過程也基本上類似于圖5中所述的過程93。系統110可用于捕獲生物測定信息，或用于對捕獲的生物測定信息與已有的數據庫進行比較。
還應理解，上述技術可以采取由計算機或控制器實施的過程和用于實現這些過程的裝置的形式。上述技術也可以用包含用于測量物體形狀的指令的計算機程序代碼的形式來實現。所述計算機程序代碼可以被包括在有形介質中，例如軟盤、CD-ROM、硬盤驅動器或任何其它計算機可讀的存儲介質中。將計算機程序代碼加載到計算機或控制器中并且由其執行；計算機就成為實現所述技術的裝置。所公開的內容也可以用計算機程序代碼或信號的形式來體現，例如，存儲在存儲介質中、加載到計算機或控制器中和/或由其執行、或在某種傳輸介質上傳輸例如在電線或電纜上、通過光纖、或通過電磁輻射，其中，當計算機程序代碼加載到計算機上并由其執行時計算機就成為實現此技術的裝置。在通用微處理器上實施時，計算機程序代碼段將配置微處理器來創建具體的邏輯電路。
雖然僅對本發明的某些特征作了圖示和說明，但是本專業的技術人員會想到許多修改和變化。所以應理解，所附權利要求書旨在覆蓋屬于本發明真正精神范圍內的所有這些修改和變化。
權利要求
1.一種三維形狀測量系統(10)，所述系統包括投影系統(14)，用以將具有參考標記的干涉條紋圖(18)投影到物體(12)上；圖像處理系統(26)，用以捕獲由所述三維物體(12)調制的所述干涉條紋圖(18)的圖像，其中所述圖像處理系統(26)可以用于識別由所述三維物體(12)調制的所述干涉條紋圖(18)的所述圖像中的所述參考標記，并利用所述參考標記作為參考點來建立坐標系，以重構所述三維物體(12)的形狀。
2.如權利要求1所述的系統，其中所述投影系統(14)可以投影具有多個相移的多個干涉條紋圖(18)。
3.如權利要求1所述的系統，其中所述圖像處理系統(26)可以捕獲具有所述參考標記由所述三維物體(12)調制的所述干涉條紋圖的所述圖像(20)，其中所述圖像處理系統(26)可以利用具有所述參考標記由所述三維物體(12)調制的所述干涉條紋圖的所述圖像(20)來產生所述三維物體(12)的相位包裹的圖像以及具有所述參考標記由所述三維物體(12)調制的所述干涉條紋圖。
4.如權利要求3所述的系統，其中所述圖像處理系統(26)可以識別所述相位包裹的圖像中的所述參考標記并且可以利用所述參考標記作為所述坐標系的所述參考點。
5.如權利要求4所述的系統，其中所述圖像處理系統(26)可以利用基于所述參考標記的所述坐標系來展開所述相位包裹的圖像。
6.如權利要求1所述的系統，其中所述投影系統(14)包括干涉儀。
7.如權利要求1所述的系統，其中所述投影系統(14)包括衍射光柵。
8.如權利要求1所述的系統，其中所述投影系統(14)包括數字干涉條紋投影系統。
9.如權利要求1所述的系統，其中還包括控制系統(22)，它配置成控制所述投影系統(14)的工作，以便將具有所述參考標記的包括多個相移的多個干涉條紋圖投影到所述三維物體(12)上。
10.一種三維形狀測量方法，所述方法包括將具有參考標記的編碼的干涉條紋圖投影到物體(12)上；捕獲由所述物體(12)調制的具有所述參考標記的所述編碼的干涉條紋圖的圖像(20)；利用由所述物體(12)調制的具有所述參考標記的所述編碼的干涉條紋圖的圖像產生所述物體(12)的相位包裹的圖像；識別所述物體(12)的所述相位包裹的圖像中的所述參考標記；以及利用所述參考標記作為參考點，展開由所述物體(12)調制的所述編碼的干涉條紋圖的所述相位包裹的圖像。
全文摘要
按照本發明的一個方面，提供測量物體(12)形狀的系統(10)。所述系統包括投影系統(14)，用于將具有干涉條紋參考標記的干涉條紋圖投影到物體(12)上。所述系統還包括圖像處理系統(26)，用于捕獲由物體(12)所調制的干涉條紋圖的圖像(20)。圖像處理系統(26)還可用于識別干涉條紋圖的圖像中的參考標記，根據參考標記來構建物體的形狀。
文檔編號G01B11/25GK1766522SQ20051010875
公開日2006年5月3日 申請日期2005年9月30日 優先權日2004年9月30日
發明者Q·胡, K·G·哈丁 申請人:通用電氣公司