利用多波長進行表面同步三維測量的裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于物體三維測量的裝置，包括一投影系統，用于通過具有至少兩個不同波長或至少兩個不同波長范圍的電磁輻射將圖案投射到表面上■’以及一檢測器系統，用于以至少兩個不同波長或至少兩個不同的分別取自至少兩個不同波長范圍的波長檢測投射的圖案。本發明進一步涉及用于物體三維測量的方法。
【專利說明】利用多波長進行表面同步三維測量的裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種通過地形測量方法對物體進行三維測量的裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 根據地形測量原理利用光學三角傳感器對物體表面進行三維測量是眾所周知的。 例如，不同的條紋圖案被投射到物體上進行測量，通過一個或多個攝像機進行觀察，并通過 計算機進行后續評價。評價方法可以是移相法，編碼光法或外差法。
[0003] 投影儀按時間順序順次將相同或不同寬度的平行的亮條紋或暗條紋圖案投射到 被測量的物體上。此外，也可以使用隨機圖案。投射的條紋圖案會受物體形狀和觀察方向 的限制而變形。攝像機分別在相對于投射方向的已知視角記錄所投射的條紋圖案。每個相 機為每一個投射圖案攝像。為了測量評價，例如，亮條紋與暗條紋之間的邊界線(邊緣)是確 定的。由于存在隨機圖案，評價是基于投射表面做出的，利用移相法評價強度分布。
[0004] 為了對整個物體進行測量，移動圖樣越過物體(掃描)。因此，為所有攝像機的各個 攝像點創建了不同亮度值的時間序列。根據攝像機圖像中已知的給定目標點協調圖像。條 紋的數目可以從一系列亮度值中計算得出，所述的亮度值是從每個攝像機圖像點的圖像序 列中測得的。最簡單的情況下，通過在投影儀中作為離散坐標的用于區分條紋數目的二進 制代碼來實現。
[0005] 通過能夠確定非離散坐標的所謂的移相法能夠獲得更高的精度。調制信號的相位 位置由逐點的強度測量來確定。信號的相位位置通過一個已知值至少被移動兩次，而強度 僅在一個點被測量。相位位置可以通過三個或更多測量值來計算。移相法可以用于補充一 個格雷碼或者作為一個絕對測量外差方法(利用幾個波長)。
[0006] 地形測量方法的基礎和實際應用之前有過詳細描述，例如，在慕尼黑弗朗西斯出 版社有限公司1993年出版的貝恩德.博爾科曼編著的"工業實踐中的圖像處理與光學測量 技術"。
[0007] 然而，多數情況下，技術上相關的對象包含有若干個表面，應用的測量方法應該以 一種可比較的特性覆蓋整個表面。根據波長和方法，一些表面是合作性的，而一些表面不具 有合作性，因此對整個物體獲得統一的特性是不可能的，而分別測量是不確定的。
【發明內容】
[0008] 給出現有技術的缺點后，本發明的目的在于克服這些缺點。本發明描述了一種通 過利用多個波長為不同的表面創造合作條件的方法，同時也提供了實現該方法的裝置。
[0009] 本發明所述的用于物體三維測量的裝置包括一投影系統，用于通過包含至少兩個 不同波長或至少兩個不同波長范圍的電磁輻射將一個圖案投射到表面上；以及一檢測器系 統，用于以至少兩個不同波長或至少兩個不同的分別取自至少兩個不同波長范圍的波長檢 測投射的圖案。優選的是，所用的波長范圍是紫外線（UV)光，可見光和/或紅外線（IR)光。 具有至少兩個不同波長或波長范圍的光的同時使用允許檢測這種材料，例如，該材料不是 為了使用一個波長而需借助另一個波長的合作。合作意味著在這一點上如果通過投影施 加到表面的加熱曲線被吸收，沖擊輻射的主體部分被吸收以便于再次作為熱輻射被輻射出 去。與合作的這個含義相反的，就反射測量來說，沖擊輻射的大部分被廣泛反射而不是被吸 收。至少兩個不同波長或至少兩個不同波長范圍的使用進一步實現了一個好的輻射分離， 該輻射是通過一種根據波長進行投射圖案的同步檢測的檢測器系統檢測到的。根據需要， 可能用到兩個、三個、四個或五個，或者多于五個的不同波長或波長范圍。至于具有至少兩 個不同波長范圍的光的同時使用，它們的范圍最好不要重疊，但可以是完全不同于/區別 于另一個，以便于獲得關于兩個不同波長的表面信息的完全分離。
[0010] 根據本發明所述裝置的一個具體實施例，可設置一個檢測器系統，用于以至少兩 個不同波長或至少兩個不同的分別取自至少兩個不同波長范圍的波長同步或順序檢測投 射的圖案。
[0011] 根據本發明所述裝置的進一步改進，投影系統可包括至少兩個輻射源，用于產生 至少兩個不同波長或至少兩個不同波長范圍的輻射，特別是至少兩個具有不同輻射波長的 激光器。因此，產生具有獨立的不依賴于另一個的波長的輻射是可以實現的，以致其位置是 獨立決定的。例如，必須用到無損耗的顏色濾光器。如果采用激光光源，可獲得在各自波 長的高輻射強度。本文中作為輻射光源的優選的例子是激光光源，但任何其他光源也是可 用的，例如LED燈，氘釋放燈，高壓和特高壓氣體釋放燈。
[0012] 根據另一個進一步的改進，投影系統可包括一波長合束器和/或一束引導光學系 統和/或一用于相對于表面移動投射圖案的裝置。波長合束器可產生包含至少兩個輻射源 (具有兩種或更多顏色）的光束，該光束在束引導光學系統中傳輸。光束向具有要被投射圖 案(例如條紋圖）的面形射去。用于相對于表面移動投射圖案的裝置移動圖案越過物體，物 體的表面分別被檢測(掃描）以便于擴展至表面的不同區域。
[0013] 根據另一個進一步的改進，至少兩個輻射源包括單獨的調節單元，用于分別調節 各自的輻射強度。這個進一步的改進可提供適應各自材料條件的輻射強度，例如，如果物體 由不同材料制成，為了獲得輻射的盡可能均勻的亮度分布，該輻射是以不同波長從表面反 向散射回的。
[0014] 根據另一個進一步的改進，檢測器系統包括一個攝像機或一組用于每個波長或每 個波長范圍的攝像機，其中，如果提供的是一組攝像機，特別需要分別給出對于表面的不同 的檢測方向。因此，不同波長可以相互獨立的檢測，針對各個波長，每個攝像機的靈敏度可 以最優化。進一步，對于某一特定波長采用多個攝像機可實現對表面的多個三角測量角度 的同步檢測。
[0015] 在一個實施例中用到了在不同波長都敏感的攝像機，例如一個設有紅、綠和藍激 光/二極管輻射源的RGB攝像機。
[0016] 根據另一個進一步的改進，波長或波長范圍在紫外線、可見光和/或紅外線光譜 范圍內。通過將所用的波長向紅外線范圍內延伸，例如，通過三角測量法可測量包含玻璃的 材料組合。
[0017] 根據另一個進一步的改進，個別的圖案是一個條紋圖，該圖案特別是由投影系統 中透明和不透明部分相對應的面形產生的。這構成了一個特別容易測量和評價的圖案形 狀。作為選擇，圖案也可以由一個DLP (數字光處理）芯片產生。
[0018] 根據另一個進一步的改進，該裝置進一步包括評價裝置，用于根據三角測量法從 檢測器系統檢測的投射圖案中生成波長選擇性三維表面數據，并用于合并波長選擇性數 據；或者一個評價裝置，用于合并從檢測器系統檢測的投射圖案中獲得的波長選擇性數據 并用于根據三角測量法生成三維表面數據。根據所選擇的方式，從而，先生成波長選擇性三 維表面數據，然后再合并或者，反之亦然，波長選擇性數據先合并，再生成三維表面數據。
[0019] 前面提到的問題可以通過本發明所述的用于表面三維檢測的方法得到進一步解 決，該方法包括以下步驟：借助具有至少兩個不同波長或至少兩個不同波長范圍的電磁輻 射，將圖案投射到表面上；以至少兩個不同波長或至少兩個不同的分別取自至少兩個不同 波長范圍的波長檢測投射的圖案。本發明所述裝置的優點以及進一步改進中所對應使用的 方法和所對應的改進在下文描述。
[0020] 根據本發明所述方法的進一步改進，投射圖案的進一步步驟由至少兩個輻射源來 完成，這兩個輻射源用于產生至少兩個不同波長或至少兩個不同波長范圍的輻射，特別是 至少兩個具有不同輻射波長的激光器。
[0021] 另一個進一步的改進是執行合并具有不同波長的輻射和/或引導輻射和/或相對 于表面移動投射圖案的步驟。
[0022] 根據另一個進一步的改進，該方法進一步包括分別調節至少兩個輻射源的各自的 輻射強度的步驟。
[0023] 根據另一個進一步的改進，個別的圖案可以是一個條紋圖，該條紋圖特別是由投 影系統的透明和不透明部分相對應的面形產生的。
[0024] 另一個進一步的改進包括執行根據三角測量法從檢測器系統檢測的投射圖案中 生成波長選擇性三維表面數據并合并波長選擇性數據的步驟；或根據三角測量法執行合并 從檢測器系統檢測的投射圖案中獲得的波長選擇性數據并生成三維表面數據的步驟。
[0025] 各種各樣的改進可以相互獨立地實施，或相互結合實施。
[0026] 下面結合附圖對本發明的附加的優選的實施方式進行描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027] 圖1展示了本發明所述裝置的第一種實施方式； 圖2展示了本發明所述裝置的第二種實施方式； 圖3闡述了本發明所述的與本發明所述裝置相關的方法。
【具體實施方式】
[0028] 本發明描述了一種利用多個波長為不同表面創造合作條件的方法和裝置。本發明 涉及一種通過表面光學測量方法對表面進行三維測量的方法和裝置。具有多波長的結構化 燈光同步產生并以一種三角測量角度來進行波長可選擇的檢測。
[0029] 圖1展示了本發明所述裝置的第一種實施方式。
[0030] 對表面110進行三維測量的裝置100包括一投影系統120,用于通過電磁輻射將 圖案140投射到表面110上.在本實施例中，輻射可以由兩個燈121U22來產生。燈121 產生第一個波長范圍的輻射，燈122產生第二個波長范圍的輻射。第一波長范圍與第二波 長范圍彼此不同。最好，這兩個波長范圍完全被分開/分離。進一步，還包括一檢測器系統 130,以兩個不同的分別取自至少兩個不同的波長范圍的波長對所投射的圖案140進行同 步檢測。
[0031] 例如，第一個燈121可以在紅色光譜范圍輻射，第二個燈122可以在藍色光譜范圍 輻射。兩燈可以由帶有相應輻射波長或各自的輻射波長范圍的LED燈組成。本實施例中的 檢測器系統130可以由帶有對兩個不同波長/波長范圍感應靈敏的傳感器芯片的數碼攝像 機組成。例如，傳感器芯片可以是所謂的具有拜耳圖案的拜耳傳感器，因此能夠分別檢測帶 有各自像素點的紅色光和藍色光。
[0032] 圖2展示了本發明所述的用于表面三維測量裝置的第二種實施方式，圖1與圖2 中相應的參考標號表示相同的元器件，只是百位數由1增加到2。
[0033] 相對于圖1中的第一種實施方式，第二種實施方式包括第三個光源223,第三光源 輻射不同于第一波長和第二波長的第三波長。光源可以是，例如，具有三個不同的輻射波長 的激光器。本裝置還包括一個束引導光學系統250,引導來自不同光源的光組合到圖案240 處.此外，本實施例中還提供三個攝像機231、232、233，每一個分別對三種輻射波長的一種 敏感。
[0034] 圖3闡述了本發明所述的與本發明所述裝置相關的方法，相應的參考標號表示同 一元器件，只是百位數增加到3. 輻射源321、322、323產生三種不同波長的輻射，在波長合束器360中，這些波長被組合 為一個輻射束。束引導和成形光學系統350引導輻射束到被投射的圖案上(各自的有圖案 的面形)。至此，帶有三種不同波長的投射圖案已經產生，并被指引到將被測量的三維物體 的表面。不同波長的投射圖案被表面分散并被檢測器331、332、333檢測，每個檢測器分別 對各自的波長敏感。基于測得數據，根據三角測量方法，從檢測器系統檢測到的投影圖案產 生波長選擇性三維表面數據，并且合并波長選擇性數據。
[0035] 換言之，首先合并從檢測器檢測的投影圖案中獲得的波長選擇性數據，隨后根據 三角測量方法產生三維表面數據是可能的。
[0036] 特別是，束引導光學系統還可以包括用于移動圖案越過表面的裝置，允許通過掃 描進行。
[0037] 總之，整個系統包含以下特征。針對不同波長的檢測器可以是一個單獨的攝像機 或一組攝像機(兩個或多個)。通過三角測量實現三維測量。針對不同波長的點檢測同時進 行。因此，有可能克服單個波長的缺點。系統校準也是同步進行的。同步掃描影響相同的 條件和數據的簡單融合。同步測量獲得了顯著的時間效益，不同視圖的自動匹配(注冊）被 簡化為更容易辨認不同波長的特征。如果圖案在表面上移動，相對于變化投影區域的圖案 檢測當然在時間上是連續的。
【權利要求】
1. 表面三維檢測裝置，其特征在于包括： 一投影系統，用于通過具有至少兩個不同波長或至少兩個不同的、最好是分離的波長 范圍的電磁輻射將圖案投射到表面上；以及 一檢測器系統，用于以至少兩個不同波長或至少兩個不同的分別取自至少兩個不同波 長范圍的波長檢測投射的圖案。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于：投影系統包括至少兩個輻射源，用于產生 至少兩個不同波長或至少兩個不同波長范圍的輻射，特別是至少兩個具有不同輻射波長的 激光器。
3. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于：投影系統包括一波長合束器和/或一束 引導光學系統和/或一用于相對于表面移動投射圖案的裝置。
4. 根據權利要求2所述的裝置，其特征在于：至少兩個輻射源包括單獨的調節單元，用 于單獨調節各自的輻射強度。
5. 根據前述任一項權利要求所述的裝置，其特征在于：檢測器系統包括一攝像機或一 組對應每個波長或每個波長范圍的攝像機，其中，如果提供的是一組攝像機，尤其需分別給 出與表面對應的不同的檢測方向。
6. 根據權利要求5所述的裝置，其特征在于：波長或波長范圍在紫外線、可見光和/或 紅外線光譜范圍內。
7. 根據權利要求6所述的裝置，其特征在于：個別的圖案是一個條紋圖，該圖案特別是 由投影系統中透明和不透明部分相對應的面形產生的。
8. 根據權利要求5所述的裝置，其特征在于：進一步包括一評價裝置，用于根據三角測 量法從檢測器系統檢測的投影圖案中生成波長選擇性三維表面數據，并用于合并波長選擇 性數據；或者一評價裝置，用于合并從檢測器系統檢測的投影圖案中獲得的波長選擇性數 據并用于根據三角測量法生成三維表面數據。
9. 根據權利要求8所述的裝置，其特征在于：檢測器系統設置為以至少兩個不同波長 或至少兩個不同的分別取自至少兩個不同波長范圍的波長同步或順序檢測投射的圖案。
10. 表面三維檢測方法，其特征在于包括如下步驟： 借助具有至少兩個不同波長或至少兩個不同波長范圍的電磁輻射，將圖案投射到表面 上；以至少兩個不同波長或至少兩個不同的分別取自至少兩個不同波長范圍的波長同步檢 測投射的圖案。
11. 根據權利要求10所述的方法，其特征在于：進一步包括以下步驟：通過至少兩個 輻射源投射圖案，這兩個輻射源用于產生至少兩個不同波長或至少兩個不同波長范圍的輻 射，特別是通過至少兩個具有不同輻射波長的激光器。
12. 根據權利要求11所述的方法，其特征在于：進一步包括以下步驟：合并具有不同波 長的輻射和/或引導輻射和/或相對于表面移動投射圖案。
13. 根據權利要求11所述的方法，其特征在于：進一步包括以下步驟：單獨調節至少兩 個輻射源的各自的輻射強度。
14. 根據權利要求10到13中任一項所述的方法，其特征在于：個別的圖案是一個條紋 圖，該條紋圖特別是由投影系統的透明和不透明部分相對應的面形產生的。
15. 根據權利要求14所述的方法，其特征在于：進一步包括以下步驟：根據三角測量法 從檢測器系統檢測的投影圖案中生成波長選擇性三維表面數據并合并波長選擇性數據；或 者合并從檢測器系統檢測的投影圖案中獲得的波長選擇性數據并根據三角測量法生成三 維表面數據。
【文檔編號】G01B11/25GK104215200SQ201410175553
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年4月29日 優先權日:2013年4月30日
【發明者】恩斯特·維德曼 申請人:埃梅斯服務有限責任公司