CN104583713A - 使优选是结构化的物体表面成像的方法及用于成像的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使物体的表面成像的方法，所述表面优选地为结构化的表面，所述方法采用至少一个线性扫描摄像机来扫描所述表面，其中所述表面由结构化的方式照亮，并且其中，为了重建所述表面，为捕捉到的图像进行时间定向的评估和/或空间评估，选择性地将线性摄像机和表面之间的相对移动考虑在内。所述方法由使物体的表面成像的装置来执行，所述表面优选地为结构化的表面。

Description

使优选是结构化的物体表面成像的方法及用于成像的装置
技术领域
本发明涉及一种使优选结构化的物体表面成像的方法，以及优选地应用所述方法的对应装置。本文中的术语“结构化的表面”应当理解为尽可能广义的概念，其既包括平的表面，也包括三维表面，例如模制表面及有纹理的表面。此外，本文中的术语“成像”应当理解为“图像和形状的探测”的含义，尤其是3D探测的含义。
本发明的方法从根本上是一种光学测量方法。这种光学测量方法在近几年中越来越得到重视。特别是在近距离范围中，3D测量技术作为一种特殊的测量方法已取得高度的发展。
背景技术
许多用于测量表面的方法是公知的，并且这些方法尽可能地使用于各种应用中。对于高精度的3D区域测量来说，已知的有各种激光扫描方法(S.Son、H.Park、K.H.Lee：用于反向工程和检测的自动化激光扫描***(Automated laser scanningsystem for reverse engineering and inspection)，《机床与制造的国际期刊(InternationalJournal of Machine Tools and Manufacture)》，第42卷第8期，2002年6月，第889-897页)；和光截面法(light section approach)(Shirai,Yoshiaki及Motoi Suwa：用测距仪来识别多面体(Recognition of Polyhedrons with a Ranger Finder)，文章发表于1971年9月英国伦敦举行的「第二届国际人工智能联合会议(2nd International JointConference on Artificial Intelligence)」，1971，华盛顿，Copper出版，会议论文集第80-87页)，和最重要的采用有效的条纹投影的摄像测量的多步骤方法，诸如相位移动(phase shifting)方法(Lilienblum E.和Michaelis B：由多期相位移动法重建光学三维表面(Optical 3d surface reconstruction by a multi-period phase shift method)，《计算机学报(Journal of Computers(JCP)》；2(2):73-83，2007年4月)；或时间相关方法(Albrecht Peter、Michaelis Bernd：光学3-D测量方法的空间分辨率的改进(Improvement of the Spatial Resolution of an Optical 3-D Measurement Procedure)，《测量与仪器的IEEE处理(IEEE Transactions on Instrumentation andMeasurement)》，1998年第47卷，第158-162页，布里斯班；)以及诸如区域相关的单步骤方法(Kanada,T.和Okutomi,M：具有适应性窗口的立体匹配算法：理论和实验(A stereo matching algorithm with an adaptive window:theory and experiment)，《模式分析与机器智能的IEEE处理(IEEE Transactions on Pattern Analysis andMachine Intelligence)》，16(1994)，第9期，第920-932页)。
总体来说，实现高测量精确度的根本在于使用结构光(Valkenburg,R.J.和Mclvor,A.M.：采用结构光***的精确3d测量(Accurate 3d measurement using astructured light system)，《图像与视觉计算(Image and Vision Computing)》，16(1998)，第2期，第99-110页)。多步骤方法实现的空间精确度高达测量物体尺寸的1/10,000：(Wiora,G.：(Optische 3D-Messtechnik: Gestaltvermessung miteinem erweiterten Streifenprojektionsverfahren)，海德堡大学，论文，2001)。目前市场对于条纹投影***有多个***制造商和许多产品。还有一系列涉及上述传统立体视觉***的出版物。仅以举例的方式，本文列出DE 197 38 480 C1、DE 44 02 414C2以及DE 199 28 341 C2。这些***的共同点是它们都采用矩阵摄像机***和投影仪和/或激光技术来产生照明光。
为了在维持精确度需求的同时测量更大的表面，所有现有基于采用矩阵摄像机来进行多个测量的***必须逐一地捕捉图像。在某些应用中，为了实现该目的可以使用机器控制测量技术。一般来说，采用对应的装置来进行简单的位移和旋转。不论使用任何方法，在测量大的部分和/或大的表面的情况下尤其会产生问题。对每一测量捕捉来说，成像***的移动必须停止(停止并再操作)。这种停止和再操作导致显著的时间延迟问题，这是捕捉***的停滞所造成不可避免的结果。此外，开始和停止操作增加了停机时间，和/或开始和停止操作减少了3D测量技术的使用寿命/操作预期寿命，并且导致所有机械部件的加速损耗。再者，晕影和镜面反射也会带来问题。现有技术只能在有限的程度上适用于工业应用。
基于采用矩阵摄像机的现有多步骤方法(例如相位移动和时间相关的方法)的另一缺点在于需要高集成度和高读取时间来成像。这通常导致测量的时间多于50微秒(ms)。因此，尤其是当测量物体表面的振动大于10Hz时，根据振幅会产生显著的***测量误差。这在工业生产过程中特别有问题—例如在模压设备或在测量连续物料时。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种使物体的表面成像的方法，所述表面优选地是结构化的表面，并能够以可重复实现的精度在尽可能最短的时间内使所述表面成像。所述方法最主要用于连续测量的应用。同样地，本发明也提供了对应的装置。
上述问题通过独立权利要求1和19的特征来解决。
根据权利要求1，本发明提供一种使优选为结构化的物体表面成像的方法，其采用至少一个线性扫描摄像机来扫描所述表面。所述表面由结构光来照明。捕捉到的图像按照时间顺序和/或空间顺序来分析，并选择性地将线性扫描摄像机与表面之间的相对移动考虑在内以实现重建所述表面的目的。
根据本发明的装置通过独立权利要求19的特征来解决上述问题，根据所述装置，其具有至少一个线性扫描摄像机和为表面提供结构照明的至少一个光源。
本发明的具有线性扫描摄像机的有效光学3D测量***的结构是具有新颖性的。本发明基于特殊的线性扫描摄像机的结构来达到使适当的光图案以静态投影或变化投影来成像目的。表面的重建是基于成像函数中时间相关的定义(time-dependent definition)，其在测量空间内为每一检测的像点(image point)提供一光线，并考虑到摄像机和测量物体的空间移动。为了定义成像函数，必须对线性扫描摄像机进行特殊的校准。举例来说，这种特殊校准基于以设置成与扫描线条不平行、在不同的高度具有不同的角度的线条来进行校准，其中，摄像机的几何位置也能够通过上述校准来确定。应当注意的是，在本文中，出现在摄像机图像的特征点的线条是由线性扫描摄像机在不同的位置捕捉到的校准场(calibration field)的结果。时间相关的定义和静态定义都能够从这些点得到。
通过采用这定义，能够通过捕捉到的图像的按时间顺序和/或按空间顺序的分析来找到对应的像点，所述像点能够使3D表面点的三角测量与时间相关的成像函数结合。适合用于搜索对应的像点的算法是多种多样的。它们取决于摄像机***的结构、摄像机***的移动、测量物体的移动，以及投影图案(projected patterns)的数量和类型。
在特定应用中，与其它的测量方法相比较，采用线性扫描摄像机并结合结构照明来作表面的3D测量具有显著的优点。所述结构照明使得该测量方法与物体表面上的纹理无关。同样地，本方法与被动的方法不同，即与没有结构照明的方法不同。采用线性扫描摄像机而不是采用矩阵摄像机，这能够实现扫描表面。这使得本方法能够应用在具有连续移动表面(诸如材料网)的连续过程中，还能够应用于旋转对称部分(诸如转轴和旋转物体，例如测量轮胎的侧壁)的有效测量。
附图说明
在这一点上，为了以有利的方式准备和实施本发明，可以有多种选择。为了这个目的，首先参考从属于权利要求1和19的权利要求，然后参考以下对本发明的优选实施例的描述和附图。在本发明的优选实例性实施例和附图的说明内容中，也会解释其它一般优选的实施例和所教导的内容的进一步发展。在附图中：
图1示出根据本发明的装置的基本配置的一个实施例的局部示意图，其中采用根据本发明的基于具有两个线性扫描摄像机的摄像机***的示例的方法；
图2示出根据本发明的装置的基本配置的一个实施例的局部示意图，其中采用根据本发明的基于具有多个线性扫描摄像机的摄像机***的示例的方法；
图3示出根据本发明的装置的一个实施例的局部示意图，其中具有平行设置的可编程投影仪来作为光源；
图4示出根据本发明的装置的一个实施例的局部示意图，其中具有平行设置的静态投影仪来作为光源；
图5示出根据本发明的装置的一个实施例的局部示意图，其中在这个情况下的光图案由发光点产生；
图6示出根据本发明的装置的一个实施例的局部示意图，其中在这个情况下产生的是单一发光点；
图7示出根据本发明的装置的一个实施例的局部示意图，其中在在这个情况下，通过设置多行发光点来产生重叠的发光点图案；以及
图8示出根据本发明的装置的完整说明的实施例，其中在在这个情况下包含有传感器***，其中具有点照明。
具体实施方式
图1至图8示出了根据本发明教导的不同实施例，一方面是关于根据本发明的装置的实施例，另一方面是关于根据本发明的方法的实施例。为了实现使物体表面(这可以是光滑表面或是结构化的3D表面和/或具有纹理的表面)成像的目的，特别是为了实现扫描物体表面的目的，必不可少的是使用至少一个线性扫描摄像机。所述表面由结构光来照明。捕捉到的图像按照时间顺序和/或空间顺序来分析，将线性扫描摄像机和表面之间的相对移动考虑在内，特别地采用成像(imaging)和/或标注尺寸(dimensioning)来实现重建所述表面的目的。
相对于计算时间和测量精度来说，本方法的效率决定性地取决于摄像机***的结构。如图1和图2中以实例性的方式所示，当***采用两个或以上摄像机时，有利地使摄像机共线地定向。在这个情况下，投影中心1和***中所有线性扫描摄像机的线性传感器2跨过共同的平面。由于共线地定向，对应的像点(即像素)使相同的表面点3成像，并且总是在相同的时间点上被检测到。如果所有的摄像机的行频(line frequency)和开始时间都是相同的，对应的像点总是在相同的图像行(image line)内。因此，这可以显著地简化用于搜索对应的像点的算法。此外，如果光图案的投影随着时间而变化，这能够使在两个摄像机上的光图案的行位置变化在空间位置上互相关联。为了这个目的，要分析具有已知相关函数的单个图像列的灰度值。摄像机***的共线性的偏差导致测量误差、或在用于搜索对应的像点的算法中必须将它们分开考虑。
为了共线定向，需要通过摄像机来捕捉适合的、共享的、共同的图案。通过使用摄像机定向的迭代匹配来调整摄像机，以使得两部摄像机都在同一位置捕捉图案。该图案必须具有垂直于线方向的离散特性。被捕捉到图案的表面应具有三维纹理。这种图案能够由有源照明或被捕捉的物体上的纹理产生。为了定向，还可以采用校准场。
如果光图案的投影随着时间而变化，且摄像机共线地定向，一个用于搜索对应像点的具体可能性包括采用均值为零的互相关(zero-mean cross-correlation)。假设G和G’是线性扫描摄像机***的两个不同的图像，并且ri＝G(u，v+i)，和Si＝G′(u′，v+i)是这些图像的灰度值，在给定对应的水平子像素插值的情况下，其中u和u’可以是实数。然后，对于具有n个不同的图案投影的
K ( u , u ′ , v ) = Σ i = 1 n ( r i - r ‾ ) ( s i - s ‾ ) Σ i = 1 n ( r i - r ‾ ) 2 · Σ i = 1 n ( s i - s ‾ ) 2 , 可以得到相关系数，其给出相似于像素和(对应的平均值由表示)。如果相关系数是最大值，则这两个像素是精确地对应的像点。通过三角测量，能够从中直接地计算出关于摄像机***的深度值。由于摄像机的共线性，可以省略垂直子像素插值。
当采用正弦光图案时，在本发明的另一实施例中，根据相位移动方法的应用，还能够通过相位移动来计算相关系数。如果一系列灰度值的相位角q＝(q1,q2,...,qn)是由来定义的，那么考虑到相位跃变，期望得到的相关系数由得到。
为了确保使表面重建有最大的横向分辨率(区域分辨率)，扫描速度和/或行频应选择成使得(在扫描方向上的)垂直分辨率对应于大约是(在扫描方向上的)水平分辨率的n倍。相较于像素尺寸，这个方法确保了局部扫描位置不会随着所有ri和/或si而显著地改变。
原则上，根据本发明的测量方法能够应用于任何类型的结构光。然而，测量速度取决于行频，并因而取决于光强度和快速交替图案序列的投影。作为进一步的设计，在如下三个不同变型中建议为结构照明采用分散的图案投影：
(i).如图3所示，多个可编程图案投影仪5平行地操作。通过重叠和略微放大，能够增加物体表面上的投影图案4的光强度。为了实现高速的测量速度，可编程投影仪5必须能够相应地产生快速的图案序列。
(ii).多个静态图案投影仪平行地操作。相对于(i)，在这个情况下通过切换单个投影仪的开启和关闭状态，来产生不同的的光图案。在图4中，光图案4通过多个开启状态的投影仪6产生在物体表面上。所有其它的投影仪7是关闭的，并因此不产生任何光图案。如果投影仪6被关闭，则相应地其它的投影仪7中的多个会开启，能够产生其它图案。为了实现高速的测量速度，投影仪必须能够相应地快速关闭。
(iii).所需的图案由单个发光点组成。图5示出照明8通过采用多个发光点9在测量物体表面11上产生光图案10。理论上，这种结构与点的产生方式无关。
在图6中，示出的实施例展示了LED发光点是如何能够产生的，其中，一个LED12的光通过反射器13和透镜14聚焦在单一发光点9上。
如图7所示，为了产生不同定位的图案，多个发光点串15能够布置成互相稍微偏移。因此，通过开启单个发光点16和/或关闭单个发光点17，在物体表面上产生光图案10。如图8所示，为了使发光点聚焦在直线上，发光点串15可选地向内略微旋转。以示例的形式，此处示出传感器、连同线性扫描摄像机18、发光点串15、测量物体表面19，和扫描移动20。
通过采用建议用于分散图案投影的技术，能够通过增加额外的摄像机来增加或减少***的宽度(如图2所示)，也可以调整对应的照明***的宽度(如图3-图5所示)。这种方式能够适用于多种3D应用的方法的测量体积、测量分辨率、和测量速度方面的要求，而不需要改变方法。
采用照明的全部三种变型能够在非常高的行频情况下执行该测量方法。因此，除了测量速度本身，还产生另一个优势。由于整合时间短(这是高行频带来不可避免的结果)，能够在很大程度上避免移动模糊，甚至在测量物体快速移动的情况下也是如此。
因此，以举例的方式，本发明还能够非常好地检测在传送带上移动的物体表面。此外，在有振动时，还能很大程度上地避免测量误差，这是因为移动模糊仅在测量物体表面的对应高频率时才能变得明显。然而，在高频率时，振动的振幅通常太小，以致于其不再对测量精度有任何影响。这是与已知的采用矩阵摄像机的多步骤方法的本质区别。
除了照明的三个变型，其它结构也是可行的。动态光图案也能够经移动镜由投影来产生。图案还能够通过特殊的光源产生，诸如激光。另外，需要理解的是，图案序列没有必要是可重复的。图案的产生还可以采用随机方法实行。以举例的方式，图案可以通过利用照明源的固有纹理来产生、或者由照明源本身的伪影(artifacts)产生、或是在投影过程中产生。这必须相应地考虑光学测量方法。
理论上，本发明的测量方法也能够仅使用一个摄像机来执行。然而，在这种情况下，照明需要特殊的校准。校准的一个可能性是根据光图案空间位置来检测其的形状，并且将其存储在查找表格内。然后，在实际的测量中，通过查找表格，从检测到的光图案形状来推导出深度信息。
具有光束分离透镜的结构为应用本发明的测量方法提供其它可行性。在这种情况下，在成像过程中操控光路，以使得一个摄像机的成像经由多个真实的或虚拟的投影中心1而形成，从而实现以计算3D点为目的的三角测量。
本发明的方法还能够应用于偏折测量(deflectometric measurement)原理中。在这种情况下，应用照明，以使得摄像机捕捉表面上反射的镜面部分，并且为3D表面重建提供基础。
此外，对于偏折应用来说，首先图案被投影到漫反射表面(例如磨砂片或帆布)，然后该照明辅助表面的镜像由摄像机在物体表面上直接地捕捉并且被分析。
综上所述，再次指出的是，根据本发明涉及的装置和方法，表面的3D形状能够通过表面(凹凸、结构、质地等等)的不接触扫描而逐行地重建。本发明特别地应用于需要以高精确度并快速地检测大的表面的形状和纹理的领域。本发明尤其适用于表面测试技术的领域的应用。通过连续的扫描过程，在给定对应的生产工序，能够以实时操作模式执行连续的验证。此外，通过将多个线性扫描摄像机连接在一起，本发明的测量装置能够被放大或缩小至任意扫描宽度。
关于根据本发明的装置的进一步有利的实施例，为了避免重复，而在此参考说明书的主体部分和所附的权利要求书。
最后，需要明确提及的是，上述根据本发明的装置的示范性实施例仅用于解释权利要求保护的教导，但是这些教导并不局限于示范性实施例。
参考数字列表
1 投影中心
2 线性传感器
3 表面点
4 物体表面的光图案
5 可编程的投影仪
6 投影仪(开启)
7 投影仪(关闭)
8 照明
9 发光点
10 光图案
11 测量物体表面
12 LED
13 反射器
14 透镜
15 发光点串
16 点(开启)
17 点(关闭)
18 线性扫描摄像机
19 测量物体表面
20 扫描移动

Claims (26)

1.一种使物体的表面成像的方法，所述表面优选地是结构化的表面，所述方法采用至少一个线性摄像机以扫描所述表面，其中，所述表面由结构光来照明，其中，捕捉到的图像按照时间顺序和/或空间顺序来分析，选择性地将所述线性摄像机和所述表面之间的相对移动考虑在内，以重建所述表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结构照明包括所述表面上的光图案的静态的、或时变的投影。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述结构照明由多个光源产生，优选地由图案投影仪产生，所述光源互相平行布置，其中，单个光图案能够互相重叠。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在所述光源后设置有光学装置，所述光学装置确保光图案在优选可定义的深度范围上的稳定性。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，投影静态光图案，其中，不同的光图案优选地由快速开启和关闭光源和/或图案投影仪来产生，即是由单个光图案的不同重叠来产生。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述光图案和/或所述光图案的按时间顺序的序列是可编程的。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，结构化的线性照明由单个LED点组成，其中，不同的光图案优选地由直接控制单个LEDs产生。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在具有交替图案投影的一系列线中捕捉所述表面，以从每一捕捉到的像点(像素)得到灰度值的特定序列，所述像点(像素)能够经摄影测量分析。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，能够通过采用特定的灰度值序列的相关函数来搜索对应的像点。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述灰度值序列的相关函数与相位移动算法结合使用。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述表面由单一线性扫描摄像机捕捉，其中，模板灰度值或相位移动算法的相位角起到重建所述表面的作用。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，成像函数起到重建所述表面的作用，所述成像函数在测量空间内为每一图像和/或每一像点提供一光线，将所述线性扫描摄像机和/或所述物体之间的相对移动考虑在内。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述成像函数相对于时间来定义。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，采用单个图像的按时间顺序和/或空间顺序的分析的算法来确定对应的像点，所述像点使得表面点的三角算法与成像函数结合。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述线性扫描摄像机设置成并定向成使得投影中心和所有线性扫描摄像机的线性传感器在它们之间跨过共同的平面，其中，是通过摄像机来捕捉合适的共同的图案，举例来说是校准场，并且其中所述摄像机能够通过摄像机定向的迭代匹配来调整，以使得两个摄像机在相同的位置捕捉图案。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，由于所述线性扫描摄像机的共线定向，使相同的表面点成像的对应像点，即像素，在相同的时间点被检测。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于，如果所述线性扫描摄像机的行频和起始时间相同，所述对应的像点定位于相同的图像行。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其特征在于，如果光图案的投影随时间而变化，光图案的逐行变化在两个线性摄像机内按位置相关联。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其特征在于，通过应用偏折测量原理，其中在这种情况下的能够使用照明，以使得摄像机捕捉表面上的反射的镜面部分，并且为成像提供基础。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的方法，其特征在于，使用照明，选择性地具有额外的散射(辅助)表面，以使得摄像机检测被捕捉到的物体表面上的反射的镜面部分，并且为成像提供基础。
21.根据权利要求14至20中任一项所述的方法，其特征在于，通过特殊光源、或是通过随机方法，所述光图案经移动镜由投影产生，以举例的方式，所述特殊光源是激光。
22.一种使物体的表面成像的装置，所述表面优选地是结构化的表面，所述装置特别地应用根据权利要求1至21中任一项所述的方法，所述装置具有至少一个线性扫描摄像机，和用于表面的结构化照明的至少一个光源，其中，捕捉到的图像按照时间顺序和/或空间顺序来分析，选择性地将所述线性摄像机和所述表面之间的相对移动考虑在内，以重建所述表面。
23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，两个、三个、或更多的线性扫描摄像机形成摄像机***。
24.根据权利要求23所述的装置，其特征在于，所述摄像机共线地和/或共面地定向。
25.根据权利要求23所述的装置，其特征在于，所述线性扫描摄像机设置和定向成使得投影中心和所有线性扫描摄像机的线性传感器跨过共同的平面。
26.根据权利要求22至25中任一项所述的装置，其特征在于，采用激光或LED元件来产生结构化照明。
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