CN104854427A - 用于光学扫描和测量环境的装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于光学扫描和测量环境的装置，该装置包括用于产生3D扫描的手持式扫描仪(100)，该手持式扫描仪(100)具有用于在环境中的对象(O)上产生至少一个图案(X，X’)的至少一个投影仪(121，122)，以及用于记录被提供有图案(X，X’)的对象(O)的图像的至少一个摄像机(111，112，113)，手持式扫描仪(100)具有第一摄像机(111)以及与第一摄像机(111)间隔开的第二摄像机(112)，以将图案(X，X’)投射至相应的图像平面(B111，B112)中并且捕获图案(X，X’)，其中，图案(X，X’)特别地是未编码的。

Description

用于光学扫描和测量环境的装置
本发明涉及具有权利要求1所述的通用术语的特征的装置。
从US 6,826,299 B2得知这种装置。投影仪将光图案投射到要被扫描的对象的表面。通过经投射、编码的图案来确定投影仪的位置。两个(或更多个)摄像机可以记录具有另一未编码的图案的表面的图像，其中已知或已确定所述两个(或更多个)摄像机的相对位置和对准性。可以通过本来公知的数学方法，例如核面几何来确定(图案的点的)三维坐标。
根据游戏领域，扫描仪被认为是跟踪装置，其中，投影仪将编码的光图案投射到要追踪的目标上，以随后用摄像机记录该编码的光图案并且确定用户的坐标，其中所述对象优选地是正在玩的用户。
US 8,238,611 B2公开了一种用于扫描场景的***，包括距离测量。该***在其最简单的形式下包括具有两个摄像机的摄像机单元，所述摄像机可选地具有滤波器，以用于目标区域的立体配准；用于优选地通过衍射光学元件在目标区域中生成图案的照明单元；以及同步单元，其使得照明单元和摄像机单元同步。摄像机单元和照明单元可以被装配在可选的相对位置中。可选地，也可以使用两个摄像机单元或两个照明单元。
本发明基于改进引言中提到的那种类型的装置的目的。根据本发明，通过具有权利要求1所述的特征的装置来实现该目的。从属权利要求涉及有益的配置。
与编码的图案相比，能够更容易地产生未编码的图案，例如作为光点的规则图案。然后，为了记录具备图案的对象的图像以及为了获得图案的光点的明确的对应关系，使用两个(或更多个)摄像机。以不共线的方式而是以三角形布置的方式布置两个摄像机和投影仪。因此，可以使用三个核面几何形状，以确定摄像机图像中的图案之间的对应关系。当已知这些对应关系时，可以确定点云的三维坐标，即，3D扫描。
优选地，不在可见光波长范围内产生图案，而是在红外线范围(700纳米至1毫米)内产生图案。当可以在可见光波长范围内滤除散射光和其它干涉时，两个摄像机在该波长范围内具有相应的敏感度。可以设置彩色摄像机以作为用于颜色信息的第三摄像机，这种摄像机也记录要被扫描的对象的图像。可以用如此获得的颜色信息对3D扫描着色。
手持式扫描仪从不同的位置产生同一场景的多个3D扫描。静止图案有助于公共坐标系中的不同的3D扫描的配准，其中能够由不同的3D扫描捕获所述静止图案。当手持式扫描仪被移动并且处在不同的位置时，静止图案相对于对象停止工作。可以将对象的表面的自然纹理和其它结构，例如边缘用作静止图案，通过作为第三摄像机的彩色摄像机来捕获这样的纹理，或者(另外地或可替选地)使用由分立的(外部的)投影仪产生投射图案。该静止图案在几何形状、时间或光谱方面可以有别于由手持式扫描仪产生的图案。
可以想到具有三个(或更多个)摄像机以及多个投影仪的模块化设计，通过该模块化设计，通过投射并且记录具有不同的点密度和横向分辨率的图案的图像来实现取决于应用的需求。
可以通过以下方法来实现图案的产生：偏转法，例如通过衍射光学元件或微透镜(或单个激光器)的产生；或者明暗处理法，例如通过遮板、幻灯片(因为幻灯片将被用在幻灯片投影仪中)以及其它遮光板的产生。偏转法的优点在于丢失更少的光并且因此可得到较高的强度。
在本发明中，手持式扫描仪被设计为便携式扫描仪，即，它高速工作且具有小重量。然而，还可以将手持式扫描仪安装在三脚架上(或者另一架子上)、安装在可手动移动的台车(或另一手推车)上、或者安装在自主移动的机器人上，即不由用户携带手持式扫描仪——可选地还通过使用另一壳体，例如没有手柄部的壳体来承载手持式扫描仪。因此，概念“手持式扫描仪”必须具有广泛释义，从而概念“手持式扫描仪”通常包括被配置成紧凑单元的扫描仪。
手持式扫描仪的操作可以在一系列帧或者视频中引起闭环，尤其在对象O被环绕时。优选地，该闭环被自动识别并且被用于校正潜在的测量误差。为此，优选地，针对多个帧中的任何帧均形成一个平截头体(frustum)，这样的平截头体包含表示3D扫描的三维点云的点的某一部分，其中根据帧来确定3D扫描并且将其分配给所述帧。形成最新的帧的平截头体与多个过去的帧的平截头体的交集，其中，选择具有主要交集的过去的的平截头体。可以通过搜索、比较和确定特征来识别闭环。
为了减少要被手持式扫描仪保存和/或传输的数据的量，优选地(在后处理中)对邻近帧进行平均化，优选地通过将二维结构的数据量划分成帧的组并且通过该组中的帧来进行平均化。
下面根据附图中图示的示例实施方式来更加详细地说明本发明，在附图中：
图1示出了装置的示意性图示；
图2示出了通过衍射光学元件产生图案的示意性图示；
图3示出了一个图案及另一图案；
图4示出了投影仪平面、图像平面以及核线的示意性图示；
图5示出了平均化的示意性图示；以及
图6示出了闭环的示意性图示。
手持式扫描仪100被设置成装置的便携式部分，所述装置用于光学扫描和测量该手持式扫描仪100的环境。手持式扫描仪100具有基部104、从基部104突出的手柄部106，在正常使用的情况下该手柄部106朝上；以及被设置在手柄部106上的头端108，在正常使用的情况下该头端108在手柄部106的上端。手持式扫描仪100的用户可以通过手柄部106握住手持式扫描仪100，配置该手柄部106以携带手持式扫描仪100大步穿过环境，以及在该环境中使手持式扫描仪100与对象O对准。
第一摄像机111和第二摄像机112被布置在头端108中，以定义的距离彼此间隔开。按照使得对象O的立体图像和视场重叠是可能的方式调节或者能够调节第一摄像机111与第二摄像机112彼此的对准。如果固定对准，则存在取决于应用的最佳的重叠范围。至于准确度，与投影仪到摄像机的距离相似的重叠范围会是有利的。取决于典型的环境情况，几分米或几米的范围也可以是优选的。可替选地，可以由用户，例如通过围绕与手柄部106平行的旋转轴相反地枢转摄像机111和摄像机112来调节对准。如果跟踪用户的调节过程，则手持式扫描仪100在任何时间都可以已知该对准，或者初始对准是随机的(以及未知的)，并且然后通过校准使手持式扫描仪100已知该对准。
第一摄像机111和第二摄像机112优选地是单色的，也就是说，例如通过使第一摄像机111和第二摄像机112配置有相应的滤波器而使其对窄波长范围敏感，其中，滤波器随后滤除其它的波长范围，包括散射光。这种窄波长范围优选地在红外范围内。然而，为了获得关于对象O的颜色信息，彩色摄像机113优选地被布置在头端108中，优选地与第一摄像机111和第二摄像机112对称地对准，并且被布置在第一摄像机111和第二摄像机112的中心处。然后，彩色摄像机113对可见光波长范围敏感。
手持式扫描仪100具有优选地被配置成触摸屏的显示和控制单元115。显示和控制单元115优选地被布置在头端108处，位于背向摄像机111、摄像机112以及摄像机113(如果有的话)的一侧上。显示和控制单元115可以被配置成是可拆卸的。摄像机111、摄像机112和摄像机113(如果有的话)以及显示和控制单元115被连接至控制和评估单元118，控制和评估单元118优选地被布置在头端108中。控制和评估单元118优选地可以预处理摄像机111、摄像机112以及摄像机113(如果有的话)的数据，可选地已产生3D扫描并且将适当的视图提供到显示和控制单元115。可替选地，根本不存在显示和控制单元115，而是通过，例如来自固定物或者便携式计算机(PC、平板电脑、智能电话等)的远程控制来操作手持式扫描仪100，其中固定物或者便携式计算机与控制和评估单元118连续连接(有线或无线)。
除非控制和评估单元118通过无线电通信(例如，通过到固定的计算机的WLAN)传输摄像机111、摄像机112以及摄像机113(如果有的话)的3D扫描或数据，否则手持式扫描仪100优选地在基部104上(或者，可替选地，在手持式扫描仪100的另一点处)配置有数据连接。所述的数据连接可以是，例如针对LAN、USB等的标准化接口、或者是如在DE 102009 010 465 B3中描述的专用接口。如果合适，数据连接还可以被配置成用于引入便携式存储介质(SD卡、USB棒等)。至于电源，优选地蓄电池被设置在基部104中。为了对蓄电池进行充电，优选地也可以在基部104上设置电源插座。可替选地，蓄电池是可更换的。
通常，根据由第一摄像机111以及由第二摄像机112记录的图像，已经可以(在控制和评估单元118中)确定三维数据，也就是说，可以通过，例如摄影测量法来产生对象O的3D扫描。然而，对象O通常具有很少的结构以及许多光滑的表面，从而很难根据对象O的散射光产生3D扫描。
因此，设置了(第一)投影仪121，其优选地被配置在基部104中(或者，可替选地，在头端108中)并且与两个摄像机111和112一致对准。可以由用户设置或者预设相对距离和相对对准。(第一)投影仪121将图案X投射至要被扫描的对象O上。图案X不需要被编码(也就是说是单值的)，而图案X优选地是未编码的，例如周期性地，也就是说是多值的。通过使用两个摄像机111和112来解决多值性。
未编码的图案X优选地是点图案，包括在网格中的点的规则布置。在本发明中，例如，以大约50°的角度将一百乘一百的点投射至大约0.5m至5m的距离。图案X还可以是线图案或者点和线的组合图案，每个图案均通过紧密地布置光点而形成。两个摄像机111和112将图案X投射到其各自的图像平面B111和B112中，在每个图像平面中均布置有一个光电传感器(例如，CMOS或CCD)以记录图案X。
在点密度、(第一)投影仪121与对象之间的距离以及可以使用产生的图案X获得的分辨率之间存在有关系。如果仅单个图像可用，则可以通过较高的点密度来检查对象O的精细结构，而通过较低的点密度来仅检查粗糙结构。因此，这似乎有助于能够产生除图案X以外的至少一个其它图案X’。取决于图案X、X'的产生，图案之间的动态转变和/或空间混合(spatial intermingling)是可能的，以使点密度适应对象O的结构。
在一个实施方式中，为了进行特殊检查，因此除(第一)投影仪121以外，还配置了被相应地对准并且可以产生另一图案X'的第二投影仪122。可替选地，除图案X以外，(第一)投影仪121还可以产生另一图案X'，例如，图案X和另一图案X'关于时间和/或在另一波长范围中彼此偏移。另一图案X'优选地是与图案X偏离的图案，其中图案X在本发明中为未编码的图案，图案X在本发明中为点的规则布置的点图案，所述点彼此之间具有另一距离(网格长度)。
还可想到另一图案X'与图案X不断地干涉，例如以不同的强度。于是，如此产生的图案X就具有：例如，在较大距离处具有较高强度的光点，而在较高强度的光点之间具有较小距离的较低强度的光点。通过具有不同的强度的图案X，能够克服有限的摄像机动态范围(如果给定曝光时间，则仅在有限的、组合距离和反射区域中，光点在没有曝光过度/曝光不足的情况下是可见的)，并且可以覆盖针对深度和强度的较大的动态范围。所述图案X确实具有较高的周期性，但是从本发明的意义上说，图案X仍是未编码的。
此外，可进一步想到，使用多于两个图案X、X'，例如，随后例如关于时间产生的限定序列的多个图案。
优选地是单色的图案X(和X')优选地通过衍射光学元件124来产生，该衍射光学元件124在不损失强度的情况下将由激光器产生的光束分在两个摄像机111和112的与图案X对应的波长范围(红外)中。然后，横向分辨率仅受限于光束直径，即，点的尺寸。因为图案X(和X')是在红外范围内产生的，所以既可以在没有干涉的情况下记录彩色摄像机113的图像，又可以避免保护眼睛等的安全措施。为了相同的目的，图案X(和X')可替选地可以在紫外范围中产生。
可以使用两个衍射光学元件产生两个图案X和X'，这两个图案X和X'在不同的时间或者以不同的波长放映。通过时变衍射光学元件，可以在图案X和X'之间快速地(即，以大约每帧)或慢速地(例如，手动控制)变化，或者图案X可以动态地适应改变事实(关于光点的密度以及投射图案X的范围)。同样可以想到图案X与图案X'之间的渐变(淡出淡入)。作为衍射光学元件的替选，可以使用微透镜阵列或者单激光器阵列。可选地，通过遮光板，特别地通过幻灯片的经典成像是可能的。
出于能量效率和眼睛安全的原因，当摄像机111和摄像机112(以及摄像机113(如果有的话))记录被提供有图案X的对象O的图像时，(第一)投影仪121仅在对象O上产生图案X。为此，使两个摄像机111、112以及投影仪121(以及第二投影仪122(如果有的话))同步，也就是说，使两个摄像机111、112以及投影仪121(以及第二投影仪122(如果有的话))既关于时间又关于所使用的图案X(以及如果有的话X')彼此内部协调。每个记录过程以(第一)投影仪121产生图案X为开始，类似于摄影中的动画，并且随后摄像机111和摄像机112(以及摄像机113(如果有的话))进行记录，更精确地说是它们的成对的记录(帧)，从两个摄像机111、112中的每个摄像机均产生一个图像。记录过程可以包括一个单独的帧(镜头(shot))或者一系列多个帧(视频)。优选地在手柄部106处配置触发开关126，其中通过该触发开关126可以触发这样的镜头或者这样的视频。在对数据进行处理之后，于是每个帧在手持式扫描仪100的相对坐标中构成3D扫描，即，三维空间中的点云。作为触发开关126的替选，可以通过上述手持式扫描仪100的远程控制来触发记录过程。
(第一)投影仪121和可选地可用的第二投影仪122不被布置成与两个摄像机121和122共线，而是被布置成三角形布置。两个摄像机111和112以及(第一)投影仪121(以及可选地第二投影仪122)的这种布置使得本来已知的光学中的数学方法的使用，特别是核面几何的使用成为可能，根据核面几何方法，可以在第一摄像机111的图像平面B111中的一条(已知的)线，即核线e上观察到第二摄像机112的图像平面B112中的一个点，并且反之亦然，和/或可以在两个摄像机111和112的图像平面B111、B112中的每一条核线e上观察到由来自投影层P121的(第一)投影仪121产生的点。
在本发明中，涉及(至少)三个单元(投影仪121以及两个摄像机111和112)，即，从所述单元中的每个单元进行，可以使用另外两个单元分别限定两个立体几何形状(分别具有很多核线e)。点和核线e的明确的三角形关系因此导致本布置，根据所述明确的三角形关系，可以确定在两个图像层B111、B112中的图案X(以及可选地X')的投影的对应关系。由于附加的立体几何形状(与一对摄像机相比)，以另外的方式不能被区分的图案的相当多的点可以在核线e上被识别。因此，特征的密度可以同时为高，并且特征的尺寸可以保持非常低。对于使用编码图案(具有由例如多个点组成的特征)的替选方法，特征的尺寸具有限制横向分辨率的下限。如果所述对应关系已被确定，则可以针对通过三角测量得到的3D扫描确定在对象O的表面上的点的三维坐标。
可以通过摄影测量学根据具有不同的摄像机位置的数个帧例如根据彩色摄像机113或者根据摄像机111和摄像机112的信号的一部分来获得附加的三维数据，其来自环境光，即，来自环境的自然纹理。下述也可以是有利的：如果手持式扫描仪100或者另一单元可以例如使用白光或红外光照明对象O以及可选地背景，则不仅受图案O照射的对象O以及可选地背景的一部分是可见的，而且在这些部分之间的区域也是可见的。这样的照明在以下情况下特别合适：在彩色摄像机113的数据应当已经被用于进行3D扫描(并且不仅用于着色)，并且用于校准摄像机111和摄像机112的情况下，在滤波器仅允许受限的光谱范围透过的情况下。
扫描过程还示出时间的方面。然而，使用固定的装置，可以投射图案的整个序列并且记录图像以确定一个单独的3D扫描，在本发明中，使用手持式扫描仪100的每个镜头产生一个3D扫描。如果针对特定检查设置第二投影仪122或者另外的衍射光学元件124或者除图案X以外的至少第二图案X'，则还可以通过合适的切换使用一个镜头连续地记录具有不同的图案X和X'的图像，然后，使得3D扫描获得更高的分辨率。
为了捕获完整的场景，必须配准使用镜头产生的3D扫描，即，必须将每个帧的三维点云***公共坐标系中。可以例如通过影像测量即例如“根据运动的结构”(SFM)或者“同步定位并且映射”(SLAM)进行配准。对象O的自然纹理可以用于公共参考点，或者可以产生静止图案Y。可以通过彩色摄像机113捕获自然纹理，彩色摄像机113因此获得第二功能(除获得彩色信息之外)。然而，优选地提供至少分立的投影仪130作为用于光学扫描并且测量手持式扫描仪100的环境的装置的附加部件。
分立的投影仪130将静止图案Y投射到要被扫描的对象上，即，所述静止图案Y是与图案X(以及可选地X')相似的，但却是可区别的图案，并且优选地以相同的方式产生所述静止图案Y。当图案X和可选地图案X'随着手持式扫描仪100移动时，如果手持式扫描仪100被移动，以及在镜头是从不同的位置进行的情况下静止图案Y在公共坐标系中停止工作。然后，在摄像机111和摄像机112的多个图像(帧)中可见静止图案Y，使得由其确定的3D扫描可以通过静止图案Y彼此产生关系。关于几何形状或者时间或者光谱(或者其组合)，静止图案Y不同于图案X以及可选地不同于图案X'。如果其关于时间不同，则至少按时间的间隔产生静止图案Y，在该时间间隔中(交替的或重叠的)不产生图案X以及可选地图案X'。如果其关于光谱不同，则如图案X和可选地图案X'，静止图案Y处于另一波长范围中，使得摄像机111和摄像机112必须也对该波长范围敏感，即，摄像机111和摄像机112应当配置有相应的滤波器。分立的投影仪130可以与手持式扫描仪100同步，即，手持式扫描仪100已知投射的静止图案Y的时间和种类。
取决于要被扫描的对象O，在已经产生多个3D扫描之后，可以适当地将分立的投影仪130放到对象O的另一侧，以将静止图案Y投影到另一侧的表面上。从而可以避免阴影。因此，分立的投影仪130优选地是便携式的或者可移动的，并且其优选地被相应地安装在例如三脚架上或者台车(或另一手推车上)或者可以被安装在其上。可替选地，使用多个分立的投影仪130以避免阴影。相应的积木式(building-block)***是可能的。
基本上，自动化也是可能的，也就是说，手持式扫描仪100被安装在手动移动的台车上(或者在另一手推车上)，或者被安装在自主移动的机器人上，或者可以被安装在其上。不再由用户携带的手持式扫描仪100以定义方式扫描其环境，所述定义方式优选地宁可通过产生视频而不是通过产生一系列镜头。不以共线的方式布置摄像机和投影仪。
手持式扫描仪100可以以高密度帧，例如每秒七十帧产生视频。然而，因为手持式扫描仪100确实几乎不在两个帧之间移动，所以视频包括非常多的冗余信息：关于时间相邻的两个帧只略微不同。为了降低要被保存和/或要被传输的数据的量，因此，在后处理中进行合适的平均化是可取的(图5)。首先，在第一平均化步骤中，帧F被划分成组[F]i，而每组[F]i中的多个帧分别在一个关键帧Fi周围。
根据3D计算机图形可以知道所谓的体素，体素将空间完全填充为单个体积元素的和。经常使用这种结构以将来自不同角度的三维数据联结到一个点云中。在记录表面数据时的缺点在于许多剩余的空体素，必须以某一方式关于数据对这些空体素进行处理。
在本发明中，使用被优化并且针对问题被改编的数据结构。在具有相当多的重叠帧F的组[F]i内，在共同的二维数据结构(网格结构)中仍然可以很好地并且有效地概括单测量点，即，针对表面数据优化单测量点并且其与二维图像非常相似。所需的较小的存储容量允许最初将所有捕获的测量数据作为向量存储在二维数据结构中，即，针对组[F]i中的帧F的像素中的每个像素的灰度值/颜色以及到手持式扫描仪100的距离。
在第二平均化步骤中，在每个组[F]i内进行平均化，以非常简单地消除错误的测量。对于这样的平均化(关于灰度/颜色和/或距离)，仅取在分类的测量值的中心范围内的向量的定义部分。可以通过阈值来区分中心范围。这样的平均化相当于通过具有平均测量值的关键帧Fi来代替组[F]i，其中，关键帧Fi仍然显示出相当大的重叠。然后，以这样的方式获得的每个测量点继续充当三维的全部点云中的一个点(与三维向量相对应)。
在可选的第三步骤中，例如可以通过笛卡尔平均将通过平均化而获得的测量点与来自另一组[F]i的数据汇集在一起。
特别在对象O被环绕时，手持式扫描仪100的操作导致可能会产生闭环，即，在相当多的帧之后，视频(或者一系列镜头)将相同的视图或者至少非常相似的视图显示到空间中。在可以看所有可用数据的情况下，闭环可以在全部点云的产生期间的任何时间被立即识别。然而，由此导致的数据的量以及计算时间不允许这样。需要一种方法，通过该方法可以非常快速地看出：由于闭环，还必须考虑来自之前的序列的哪些数据。如果所有的测量是完整的而没有缺陷(并且，手持式扫描仪100的移动充分规律)，则可以由在公共坐标系中的3D扫描的配准而立即产生闭环。然而，实际上，缺陷会累积，导致两个相似帧F以及得到的3D扫描的偏移。然而，在下文(图6)中描述自动识别闭环的可能性(并且校正错误)。
平截头体(更准确地：视见平截头体)通常是空间的截棱锥形区域，其与观看方向一致地从图像平面延伸到无限远。在本发明中，针对在第一步骤中的每个帧形成平截头体V，这样的平截头体(至少近似地)包括三维点云中的捕获的点的80％，即，分配的3D扫描的空间中的所述区域的有限部分，其中根据帧F来确定。最新的平截头体Vn被分配给最后被记录的最新的帧Fn。然后，在第二步骤中，通过形成交集将最新的平截头体Vn与过去的平截头体V进行比较。选择过去的的平截头体Vj中的与其存在有最大交集的平截头体，以实现更准确的分析。
在第三步骤中，分别在最新的平截头体Vn和所选的平截头体Vj内通过本来已知的方式查找特征，例如边和角。在第四步骤中，将检测到的特征，例如关于它们的内嵌几何形状彼此进行比较，并且识别一致的特征。取决于一致的程度，在第五步骤中确定是否存在闭环。
为了从对闭环的认识中受益，根据识别的、一致的特征生成共同特征。通过已知命名为“光束法平差”的方法，可以在第六步骤中校正所述测量误差，即，将3D扫描校正成直至渗透至空间中的限定深度，也就是说，在一定程度上并且一些位置中的三维点云发生位移，从而消除了在本来完全相同的帧、3D扫描和平截头体中的所述偏移。如果校正不完全是可能的，即，在第六步骤(通过“光束法平差”)之后，不能够被校正的数据的一定的偏差以及因此导致的测量的一定的误差仍然存在，该一定的偏离(即，不能够被校正的误差)优选地是对测量的质量以及数据的质量的总体测量。
手持式扫描仪100的移动以及对产生的帧的处理也可以被视为追踪，也就是说，手持式扫描仪100通过在追踪期间使用的方法追踪其环境的相对移动。如果追踪丢失，例如，如果手持式扫描仪100被移动得太快，则存在重新假设追踪的简单的可能性。为此，在显示和控制单元115上为用户并排(或者一个在另一个上边)呈现如由彩色摄像机113提供的最新的视频图像以及由彩色摄像机113提供的来自追踪的最后的视频静止图像。然后，用户必须移动手持式扫描仪100，直到两个视频图像重合为止。由于对视频图像的处理以及对视频图像的比较而导致的例如声学或光学的支持是有帮助的，并且因此，优选地实现所述声学或光学的支持。
附图标记列表
100：手持式扫描仪
104：基部
106：手柄部
108：头端
111：第一摄像机
112：第二摄像机
113：彩色摄像机
115：显示和控制单元
118：控制和评估单元
121：(第一)投影仪
122：第二投影仪
124：衍射光学元件
126：触发开关
130：分立的投影仪
B111：第一摄像机的图像平面
B112：第二摄像机的图像平面
e：核线
F,Fn：帧
Fi：关键帧
[F]i：组
O：对象
P121：投影仪平面
V,Vj,Vn：平截头体
X,X'：图案
Y：静止图案
权利要求书(按照条约第19条的修改)
FF-1.权利要求1-10(被删除)
11.一种用于光学扫描和测量环境中的对象的装置，所述装置包括：
投影仪，所述投影仪投射光的图案，所述光的图案为在网格上的点的规则布置，所述投影仪具有投影仪平面；
第一摄像机，所述第一摄像机用于记录在所述对象上的所述光的图案的第一图像，所述第一图像被记录在所述第一摄像机的第一图像平面上；
第二摄像机，所述第二摄像机用于记录在所述对象上的所述光的图案的第二图像，所述第二图像被记录在所述第二摄像机的第二图像平面上，所述第二摄像机与所述第一摄像机间隔开第一距离，所述投影仪，所述第一摄像机以及所述第二摄像机是非共线的并且形成三角形；以及
处理器，所述处理器被配置成至少部分地基于所述光的图案、所述第一图像、所述第二图像、所述三角形的几何形状以及所述装置的核面几何形状来确定所述对象的一组三维坐标。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，
所述至少一个投影仪通过激光器在红外波长范围中单色地发射未编码的图案；以及
所述第一摄像机和所述第二摄像机包括滤波器，所述滤波器对所述未编码的图案的波长范围敏感。
13.根据权利要求12所述的装置，还包括彩色摄像机，所述彩色摄像机在可见光波长光谱中记录所述对象的图像。
14.根据权利要求11所述的装置，其中，所述点图案包括第一多个点和第二多个点，所述第二多个点被设置在所述第一多个点之间。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述第一多个点和所述第二多个点具有不同的强度。
16.根据权利要求11所述的装置，其中，所述至少一个投影仪选自由衍射光学元件、微透镜、多个单激光器以及投影遮光板构成的组。
17.根据权利要求11所述的装置，其中，所述至少一个投影仪产生多个图案以改变分辨率或点密度。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述多个图案包括第一图案和第二图案，所述第一图案在时间上相对于所述第二图案偏移。
19.根据权利要求11所述的装置，其中，所述多个图案包括第一图案和第二图案，所述第一图案具有第一光波长并且所述第二图案具有第二光波长。
20.根据权利要求11所述的装置，其中，
所述至少一个投影仪包括第一投影仪和第二投影仪；以及
所述第一投影仪产生第一图案并且所述第二投影仪产生第二图案。
21.根据权利要求11所述的装置，其中，所述装置是手持式装置。
22.根据权利要求11所述的装置，还包括：
基部构件，所述至少一个投影仪被布置在所述基部构件中；
从所述基部构件突出的手柄构件；
被设置在所述手柄构件上的触发开关；以及
在所述手柄构件的、与所述基部构件相对的端上的头端，其中，所述第一摄像机和所述第二摄像机被设置在所述头端中。

Claims (14)

1.用于光学扫描和测量环境的装置，所述装置包括用于产生3D扫描的手持式扫描仪(100)，所述手持式扫描仪(100)具有至少一个投影仪(121，122)和至少一个摄像机(111，112，113)，其中，所述至少一个投影仪(121，122)用于在所述环境中的对象(O)上产生至少一个图案(X，X’)，所述至少一个摄像机(111，112，113)用于记录被提供有所述图案(X，X’)的所述对象(O)的图像，所述装置的特征在于，所述手持式扫描仪(100)具有第一摄像机(111)以及与所述第一摄像机(111)间隔开的第二摄像机(112)，以将所述图案(X，X’)投射至相应的图像平面(B111，B112)中并且捕获所述图案(X，X’)，其中，所述图案(X，X’)特别地是未编码的。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述投影仪(121，122)、所述第一摄像机(111)和所述第二摄像机(112)被布置成彼此呈三角形布置。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述投影仪(121)限定投影仪平面(P121)，其中，对于所述图案(X，X’)的点，所述至少一个投影仪(121)和所述第一摄像机(111)以及所述第二摄像机(112)在所述投影仪平面(P121)和所述图像平面(B111，B112)中形成不同的核线(e)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述投影仪(121)优选地单色地以及优选地通过激光器产生红外范围的所述图案(X，X’)，以及所述第一摄像机(111)和所述第二摄像机(112)优选地通过使用滤波器对所述图案(X，X’)的波长范围敏感。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述手持式扫描仪(100)配置有彩色摄像机(113)，所述彩色摄像机(113)在可见光波长范围中记录所述对象的图像，所述图案(X，X’)的波长范围优选地偏离所述可见光波长范围。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述图案(X，X’)为由光点组成的点图案，和/或线图案，和/或点和线的组合图案，所述点和线可选地具有不同的强度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述投影仪(121)通过衍射光学元件(124)、微透镜、多个单激光器或投影遮光板产生所述图案(X，X’)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，除所述图案(X)以外，所述手持式扫描仪(100)还生成至少一个另外的图案(X’)，以改变分辨率和/或点密度。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述另外的图案(X’)在时间方面相对于所述图案(X)偏移，和/或所述另外的图案(X’)在另一波长范围中产生，和/或通过第二投影仪(122)产生。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述手持式扫描仪(100)配置有：基部(104)，所述基部(104)优选地具有所述投影仪(121，122)；从所述基部(104)突出的手柄部(106)，所述手柄部(106)优选地具有触发开关(106)；以及被布置在所述手柄部(106)上的头端(108)，所述头端(108)优选地具有所述第一摄像机(111)和所述第二摄像机(112)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，提供至少一个分立的投影仪(130)，所述分立的投影仪(130)在所述对象(O)上产生静止图案(Y)，在所述手持式扫描仪(100)被移动的情况下以及在由所述至少一个摄像机(111，112，113)从不同的位置记录图像的情况下，所述分立的投影仪(130)停止工作。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述分立的投影仪(130)优选地单色地以及优选地通过激光器在红外范围或紫外范围中产生所述静止图案(Y)，其中所述至少一个摄像机(111，112，113)优选地通过使用滤波器对所述图案(X，X’)和所述静止图案(Y)的波长范围敏感。
13.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述分立的投影仪(130)通过衍射光学元件(124)、微透镜、多个单激光器或投影遮光板产生所述静止图案(Y)。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的装置，其特征在于，从所述手持式扫描仪(100)的不同位置产生并且被记录在公共坐标系中的3D扫描形成场景，其中，通过多个3D扫描记录所述静止图案(Y)。
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