用于光學掃描和測量環境的裝置的制造方法
【專利說明】用于光學掃描和測量環境的裝置
[0001]本發明涉及具有權利要求1所述的通用術語的特征的裝置。
[0002]從US 6，826，299 B2得知這種裝置。投影儀將光圖案投射到要被掃描的對象的表面。通過經投射、編碼的圖案來確定投影儀的位置。兩個(或更多個)攝像機可以記錄具有另一未編碼的圖案的表面的圖像,其中已知或已確定所述兩個(或更多個)攝像機的相對位置和對準性。可以通過本來公知的數學方法,例如核面幾何來確定(圖案的點的)三維坐標。
[0003]根據游戲領域,掃描儀被認為是跟蹤裝置，其中,投影儀將編碼的光圖案投射到要追蹤的目標上，以隨后用攝像機記錄該編碼的光圖案并且確定用戶的坐標，其中所述對象優選地是正在玩的用戶。
[0004]US 8，238，611 B2公開了一種用于掃描場景的系統,包括距離測量。該系統在其最簡單的形式下包括具有兩個攝像機的攝像機單元，所述攝像機可選地具有濾波器，以用于目標區域的立體配準；用于優選地通過衍射光學元件在目標區域中生成圖案的照明單元；以及同步單元，其使得照明單元和攝像機單元同步。攝像機單元和照明單元可以被裝配在可選的相對位置中。可選地，也可以使用兩個攝像機單元或兩個照明單元。
[0005]本發明基于改進引言中提到的那種類型的裝置的目的。根據本發明，通過具有權利要求I所述的特征的裝置來實現該目的。從屬權利要求涉及有益的配置。
[0006]與編碼的圖案相比,能夠更容易地產生未編碼的圖案,例如作為光點的規則圖案。然后，為了記錄具備圖案的對象的圖像以及為了獲得圖案的光點的明確的對應關系,使用兩個(或更多個)攝像機。以不共線的方式而是以三角形布置的方式布置兩個攝像機和投影儀。因此,可以使用三個核面幾何形狀，以確定攝像機圖像中的圖案之間的對應關系。當已知這些對應關系時，可以確定點云的三維坐標，即，3D掃描。
[0007]優選地,不在可見光波長范圍內產生圖案,而是在紅外線范圍(700納米至I毫米)內產生圖案。當可以在可見光波長范圍內濾除散射光和其它千涉時，兩個攝像機在該波長范圍內具有相應的敏感度。可以設置彩色攝像機以作為用于顏色信息的第三攝像機，這種攝像機也記錄要被掃描的對象的圖像。可以用如此獲得的顏色信息對3D掃描著色。
[0008]手持式掃描儀從不同的位置產生同一場景的多個3D掃描。靜止圖案有助于公共坐標系中的不同的3D掃描的配準,其中能夠由不同的3D掃描捕獲所述靜止圖案。當手持式掃描儀被移動并且處在不同的位置時，靜止圖案相對于對象停止工作。可以將對象的表面的自然紋理和其它結構,例如邊緣用作靜止圖案,通過作為第三攝像機的彩色攝像機來捕獲這樣的紋理,或者(另外地或可替選地)使用由分立的(外部的)投影儀產生投射圖案。該靜止圖案在幾何形狀、時間或光譜方面可以有別于由手持式掃描儀產生的圖案。
[0009]可以想到具有三個(或更多個)攝像機以及多個投影儀的模塊化設計，通過該模塊化設計,通過投射并且記錄具有不同的點密度和橫向分辨率的圖案的圖像來實現取決于應用的需求。
[0010]可以通過以下方法來實現圖案的產生:偏轉法，例如通過衍射光學元件或微透鏡(或單個激光器)的產生；或者明暗處理法,例如通過遮板、幻燈片(因為幻燈片將被用在幻燈片投影儀中)以及其它遮光板的產生。偏轉法的優點在于丟失更少的光并且因此可得到較高的強度。
[0011]在本發明中，手持式掃描儀被設計為便攜式掃描儀，即，它高速工作且具有小重量。然而,還可以將手持式掃描儀安裝在三腳架上(或者另一架子上)、安裝在可手動移動的臺車(或另一手推車)上、或者安裝在自主移動的機器人上，即不由用戶攜帶手持式掃描儀一可選地還通過使用另一殼體，例如沒有手柄部的殼體來承載手持式掃描儀。因此，概念“手持式掃描儀”必須具有廣泛釋義，從而概念“手持式掃描儀”通常包括被配置成緊湊單元的掃描儀。
[0012]手持式掃描儀的操作可以在一系列幀或者視頻中引起閉環,尤其在對象O被環繞時。優選地，該閉環被自動識別并且被用于校正潛在的測量誤差。為此，優選地，針對多個中貞中的任何1I1貞均形成一個平截頭體(frustum),這樣的平截頭體包含表不3D掃描的三維點云的點的某一部分,其中根據幀來確定3D掃描并且將其分配給所述幀。形成最新的幀的平截頭體與多個過去的幀的平截頭體的交集，其中，選擇具有主要交集的過去的的平截頭體。可以通過搜索、比較和確定特征來識別閉環。
[0013]為了減少要被手持式掃描儀保存和/或傳輸的數據的量，優選地(在后處理中)對鄰近幀進行平均化，優選地通過將二維結構的數據量劃分成幀的組并且通過該組中的幀來進行平均化。
[0014]下面根據附圖中圖示的示例實施方式來更加詳細地說明本發明，在附圖中:
[0015]圖1示出了裝置的示意性圖示；
[0016]圖2示出了通過衍射光學元件產生圖案的示意性圖示；
[0017]圖3示出了一個圖案及另一圖案；
[0018]圖4示出了投影儀平面、圖像平面以及核線的示意性圖示；
[0019]圖5示出了平均化的示意性圖示；以及
[0020]圖6示出了閉環的示意性圖示。
[0021]手持式掃描儀100被設置成裝置的便攜式部分,所述裝置用于光學掃描和測量該手持式掃描儀100的環境。手持式掃描儀100具有基部104、從基部104突出的手柄部106，在正常使用的情況下該手柄部106朝上；以及被設置在手柄部106上的頭端108,在正常使用的情況下該頭端108在手柄部106的上端。手持式掃描儀100的用戶可以通過手柄部106握住手持式掃描儀100,配置該手柄部106以攜帶手持式掃描儀100大步穿過環境，以及在該環境中使手持式掃描儀100與對象O對準。
[0022]第一攝像機111和第二攝像機112被布置在頭端108中，以定義的距離彼此間隔開。按照使得對象O的立體圖像和視場重疊是可能的方式調節或者能夠調節第一攝像機111與第二攝像機112彼此的對準。如果固定對準,則存在取決于應用的最佳的重疊范圍。至于準確度，與投影儀到攝像機的距離相似的重疊范圍會是有利的。取決于典型的環境情況,幾分米或幾米的范圍也可以是優選的。可替選地，可以由用戶，例如通過圍繞與手柄部106平行的旋轉軸相反地樞轉攝像機111和攝像機112來調節對準。如果跟蹤用戶的調節過程,則手持式掃描儀100在任何時間都可以已知該對準,或者初始對準是隨機的(以及未知的)，并且然后通過校準使手持式掃描儀100已知該對準。
[0023]第一攝像機111和第二攝像機112優選地是單色的，也就是說,例如通過使第一攝像機111和第二攝像機112配置有相應的濾波器而使其對窄波長范圍敏感,其中，濾波器隨后濾除其它的波長范圍，包括散射光。這種窄波長范圍優選地在紅外范圍內。然而，為了獲得關于對象O的顏色信息,彩色攝像機113優選地被布置在頭端108中，優選地與第一攝像機111和第二攝像機112對稱地對準,并且被布置在第一攝像機111和第二攝像機112的中心處。然后，彩色攝像機113對可見光波長范圍敏感。
[0024]手持式掃描儀100具有優選地被配置成觸摸屏的顯示和控制單元115。顯示和控制單元115優選地被布置在頭端108處，位于背向攝像機111、攝像機112以及攝像機113(如果有的話)的一側上。顯示和控制單元115可以被配置成是可拆卸的。攝像機111、攝像機112和攝像機113 (如果有的話)以及顯示和控制單元115被連接至控制和評估單元118,控制和評估單元118優選地被布置在頭端108中。控制和評估單元118優選地可以預處理攝像機111、攝像機112以及攝像機113(如果有的話)的數據,可選地已產生3D掃描并且將適當的視圖提供到顯示和控制單元115。可替選地，根本不存在