CN104215200A - 利用多波长进行表面同步三维测量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于物体三维测量的装置，包括一投影系统，用于通过具有至少两个不同波长或至少两个不同波长范围的电磁辐射将图案投射到表面上；以及一检测器系统，用于以至少两个不同波长或至少两个不同的分别取自至少两个不同波长范围的波长检测投射的图案。本发明进一步涉及用于物体三维测量的方法。

Description

利用多波长进行表面同步三维测量的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种通过地形测量方法对物体进行三维测量的装置及方法。

背景技术

根据地形测量原理利用光学三角传感器对物体表面进行三维测量是众所周知的。例如，不同的条纹图案被投射到物体上进行测量，通过一个或多个摄像机进行观察，并通过计算机进行后续评价。评价方法可以是移相法，编码光法或外差法。

投影仪按时间顺序顺次将相同或不同宽度的平行的亮条纹或暗条纹图案投射到被测量的物体上。此外，也可以使用随机图案。投射的条纹图案会受物体形状和观察方向的限制而变形。摄像机分别在相对于投射方向的已知视角记录所投射的条纹图案。每个相机为每一个投射图案摄像。为了测量评价，例如，亮条纹与暗条纹之间的边界线（边缘）是确定的。由于存在随机图案，评价是基于投射表面做出的，利用移相法评价强度分布。

为了对整个物体进行测量，移动图样越过物体（扫描）。因此，为所有摄像机的各个摄像点创建了不同亮度值的时间序列。根据摄像机图像中已知的给定目标点协调图像。条纹的数目可以从一系列亮度值中计算得出，所述的亮度值是从每个摄像机图像点的图像序列中测得的。最简单的情况下，通过在投影仪中作为离散坐标的用于区分条纹数目的二进制代码来实现。

通过能够确定非离散坐标的所谓的移相法能够获得更高的精度。调制信号的相位位置由逐点的强度测量来确定。信号的相位位置通过一个已知值至少被移动两次，而强度仅在一个点被测量。相位位置可以通过三个或更多测量值来计算。移相法可以用于补充一个格雷码或者作为一个绝对测量外差方法（利用几个波长）。

地形测量方法的基础和实际应用之前有过详细描述，例如，在慕尼黑弗朗西斯出版社有限公司1993年出版的贝恩德.博尔科曼编著的“工业实践中的图像处理与光学测量技术”。

然而，多数情况下，技术上相关的对象包含有若干个表面，应用的测量方法应该以一种可比较的特性覆盖整个表面。根据波长和方法，一些表面是合作性的，而一些表面不具有合作性，因此对整个物体获得统一的特性是不可能的，而分别测量是不确定的。

发明内容

给出现有技术的缺点后，本发明的目的在于克服这些缺点。本发明描述了一种通过利用多个波长为不同的表面创造合作条件的方法，同时也提供了实现该方法的装置。

本发明所述的用于物体三维测量的装置包括一投影系统，用于通过包含至少两个不同波长或至少两个不同波长范围的电磁辐射将一个图案投射到表面上；以及一检测器系统，用于以至少两个不同波长或至少两个不同的分别取自至少两个不同波长范围的波长检测投射的图案。优选的是，所用的波长范围是紫外线（UV）光，可见光和/或红外线（IR）光。 具有至少两个不同波长或波长范围的光的同时使用允许检测这种材料，例如，该材料不是为了使用一个波长而需借助另一个波长的合作。合作意味着在这一点上如果通过投影施加到表面的加热曲线被吸收，冲击辐射的主体部分被吸收以便于再次作为热辐射被辐射出去。与合作的这个含义相反的，就反射测量来说，冲击辐射的大部分被广泛反射而不是被吸收。至少两个不同波长或至少两个不同波长范围的使用进一步实现了一个好的辐射分离，该辐射是通过一种根据波长进行投射图案的同步检测的检测器系统检测到的。根据需要，可能用到两个、三个、四个或五个，或者多于五个的不同波长或波长范围。至于具有至少两个不同波长范围的光的同时使用，它们的范围最好不要重叠，但可以是完全不同于/区别于另一个，以便于获得关于两个不同波长的表面信息的完全分离。

根据本发明所述装置的一个具体实施例，可设置一个检测器系统，用于以至少两个不同波长或至少两个不同的分别取自至少两个不同波长范围的波长同步或顺序检测投射的图案。

根据本发明所述装置的进一步改进，投影系统可包括至少两个辐射源，用于产生至少两个不同波长或至少两个不同波长范围的辐射，特别是至少两个具有不同辐射波长的激光器。因此，产生具有独立的不依赖于另一个的波长的辐射是可以实现的，以致其位置是独立决定的。例如，必须用到无损耗的颜色滤光器 。如果采用激光光源，可获得在各自波长的高辐射强度。本文中作为辐射光源的优选的例子是激光光源，但任何其他光源也是可用的，例如LED灯，氘释放灯，高压和特高压气体释放灯。

根据另一个进一步的改进，投影系统可包括一波长合束器和/或一束引导光学系统和/或一用于相对于表面移动投射图案的装置。波长合束器可产生包含至少两个辐射源（具有两种或更多颜色）的光束，该光束在束引导光学系统中传输。光束向具有要被投射图案（例如条纹图）的面形射去。用于相对于表面移动投射图案的装置移动图案越过物体，物体的表面分别被检测（扫描）以便于扩展至表面的不同区域。

根据另一个进一步的改进，至少两个辐射源包括单独的调节单元，用于分别调节各自的辐射强度。这个进一步的改进可提供适应各自材料条件的辐射强度，例如，如果物体由不同材料制成，为了获得辐射的尽可能均匀的亮度分布，该辐射是以不同波长从表面反向散射回的。

根据另一个进一步的改进，检测器系统包括一个摄像机或一组用于每个波长或每个波长范围的摄像机，其中，如果提供的是一组摄像机，特别需要分别给出对于表面的不同的检测方向。因此，不同波长可以相互独立的检测，针对各个波长，每个摄像机的灵敏度可以最优化。进一步，对于某一特定波长采用多个摄像机可实现对表面的多个三角测量角度的同步检测。

在一个实施例中用到了在不同波长都敏感的摄像机，例如一个设有红、绿和蓝激光/二极管辐射源的RGB摄像机。

根据另一个进一步的改进，波长或波长范围在紫外线、可见光和/或红外线光谱范围内。通过将所用的波长向红外线范围内延伸，例如，通过三角测量法可测量包含玻璃的材料组合。

根据另一个进一步的改进，个别的图案是一个条纹图，该图案特别是由投影系统中透明和不透明部分相对应的面形产生的。这构成了一个特别容易测量和评价的图案形状。作为选择，图案也可以由一个DLP（数字光处理）芯片产生。

根据另一个进一步的改进，该装置进一步包括评价装置，用于根据三角测量法从检测器系统检测的投射图案中生成波长选择性三维表面数据，并用于合并波长选择性数据；或者一个评价装置，用于合并从检测器系统检测的投射图案中获得的波长选择性数据并用于根据三角测量法生成三维表面数据。根据所选择的方式，从而，先生成波长选择性三维表面数据，然后再合并或者，反之亦然，波长选择性数据先合并，再生成三维表面数据。

前面提到的问题可以通过本发明所述的用于表面三维检测的方法得到进一步解决，该方法包括以下步骤：借助具有至少两个不同波长或至少两个不同波长范围的电磁辐射，将图案投射到表面上；以至少两个不同波长或至少两个不同的分别取自至少两个不同波长范围的波长检测投射的图案。本发明所述装置的优点以及进一步改进中所对应使用的方法和所对应的改进在下文描述。

根据本发明所述方法的进一步改进，投射图案的进一步步骤由至少两个辐射源来完成，这两个辐射源用于产生至少两个不同波长或至少两个不同波长范围的辐射，特别是至少两个具有不同辐射波长的激光器。

另一个进一步的改进是执行合并具有不同波长的辐射和/或引导辐射和/或相对于表面移动投射图案的步骤。 

根据另一个进一步的改进，该方法进一步包括分别调节至少两个辐射源的各自的辐射强度的步骤。

根据另一个进一步的改进，个别的图案可以是一个条纹图，该条纹图特别是由投影系统的透明和不透明部分相对应的面形产生的。

另一个进一步的改进包括执行根据三角测量法从检测器系统检测的投射图案中生成波长选择性三维表面数据并合并波长选择性数据的步骤；或根据三角测量法执行合并从检测器系统检测的投射图案中获得的波长选择性数据并生成三维表面数据的步骤。

各种各样的改进可以相互独立地实施，或相互结合实施。 

下面结合附图对本发明的附加的优选的实施方式进行描述。

附图说明

图1展示了本发明所述装置的第一种实施方式；

图2展示了本发明所述装置的第二种实施方式；

图3 阐述了本发明所述的与本发明所述装置相关的方法。

具体实施方式

本发明描述了一种利用多个波长为不同表面创造合作条件的方法和装置。本发明涉及一种通过表面光学测量方法对表面进行三维测量的方法和装置。具有多波长的结构化灯光同步产生并以一种三角测量角度来进行波长可选择的检测。

图1展示了本发明所述装置的第一种实施方式。

对表面110进行三维测量的装置100包括一投影系统120，用于通过电磁辐射将图案140投射到表面110上.在本实施例中，辐射可以由两个灯121、122来产生。灯121产生第一个波长范围的辐射，灯122产生第二个波长范围的辐射。第一波长范围与第二波长范围彼此不同。最好，这两个波长范围完全被分开/分离。进一步，还包括一检测器系统130，以两个不同的分别取自至少两个不同的波长范围的波长对所投射的图案140进行同步检测。

例如，第一个灯121可以在红色光谱范围辐射，第二个灯122可以在蓝色光谱范围辐射。两灯可以由带有相应辐射波长或各自的辐射波长范围的LED灯组成。本实施例中的检测器系统130可以由带有对两个不同波长/波长范围感应灵敏的传感器芯片的数码摄像机组成。例如，传感器芯片可以是所谓的具有拜耳图案的拜耳传感器，因此能够分别检测带有各自像素点的红色光和蓝色光。

图2展示了本发明所述的用于表面三维测量装置的第二种实施方式，图1与图2中相应的参考标号表示相同的元器件，只是百位数由1增加到2。

相对于图1中的第一种实施方式，第二种实施方式包括第三个光源223，第三光源辐射不同于第一波长和第二波长的第三波长。光源可以是，例如，具有三个不同的辐射波长的激光器。本装置还包括一个束引导光学系统250,引导来自不同光源的光组合到图案240处.此外，本实施例中还提供三个摄像机231、232、233，每一个分别对三种辐射波长的一种敏感。

图3阐述了本发明所述的与本发明所述装置相关的方法，相应的参考标号表示同一元器件，只是百位数增加到3.

辐射源321、322、323产生三种不同波长的辐射，在波长合束器360中，这些波长被组合为一个辐射束。束引导和成形光学系统350引导辐射束到被投射的图案上（各自的有图案的面形）。至此，带有三种不同波长的投射图案已经产生，并被指引到将被测量的三维物体的表面。不同波长的投射图案被表面分散并被检测器331、332、333检测，每个检测器分别对各自的波长敏感。基于测得数据，根据三角测量方法，从检测器系统检测到的投影图案产生波长选择性三维表面数据，并且合并波长选择性数据。

换言之，首先合并从检测器检测的投影图案中获得的波长选择性数据，随后根据三角测量方法产生三维表面数据是可能的。

特别是，束引导光学系统还可以包括用于移动图案越过表面的装置，允许通过扫描进行。

总之，整个系统包含以下特征。针对不同波长的检测器可以是一个单独的摄像机或一组摄像机（两个或多个）。通过三角测量实现三维测量。针对不同波长的点检测同时进行。因此，有可能克服单个波长的缺点。系统校准也是同步进行的。同步扫描影响相同的条件和数据的简单融合。同步测量获得了显著的时间效益，不同视图的自动匹配（注册）被简化为更容易辨认不同波长的特征。如果图案在表面上移动，相对于变化投影区域的图案检测当然在时间上是连续的。

Claims (15)

1.表面三维检测装置，其特征在于包括：

  一投影系统，用于通过具有至少两个不同波长或至少两个不同的、最好是分离的波长范围的电磁辐射将图案投射到表面上；以及

 一检测器系统，用于以至少两个不同波长或至少两个不同的分别取自至少两个不同波长范围的波长检测投射的图案。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：投影系统包括至少两个辐射源，用于产生至少两个不同波长或至少两个不同波长范围的辐射，特别是至少两个具有不同辐射波长的激光器。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：投影系统包括一波长合束器和/或一束引导光学系统和/或一用于相对于表面移动投射图案的装置。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：至少两个辐射源包括单独的调节单元，用于单独调节各自的辐射强度。

5.根据前述任一项权利要求所述的装置，其特征在于：检测器系统包括一摄像机或一组对应每个波长或每个波长范围的摄像机，其中，如果提供的是一组摄像机，尤其需分别给出与表面对应的不同的检测方向。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：波长或波长范围在紫外线、可见光和/或红外线光谱范围内。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：个别的图案是一个条纹图，该图案特别是由投影系统中透明和不透明部分相对应的面形产生的。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：进一步包括一评价装置，用于根据三角测量法从检测器系统检测的投影图案中生成波长选择性三维表面数据，并用于合并波长选择性数据；或者一评价装置，用于合并从检测器系统检测的投影图案中获得的波长选择性数据并用于根据三角测量法生成三维表面数据。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：检测器系统设置为以至少两个不同波长或至少两个不同的分别取自至少两个不同波长范围的波长同步或顺序检测投射的图案。

10.表面三维检测方法，其特征在于包括如下步骤：

  借助具有至少两个不同波长或至少两个不同波长范围的电磁辐射，将图案投射到表面上；以至少两个不同波长或至少两个不同的分别取自至少两个不同波长范围的波长同步检测投射的图案。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：进一步包括以下步骤：通过至少两个辐射源投射图案，这两个辐射源用于产生至少两个不同波长或至少两个不同波长范围的辐射，特别是通过至少两个具有不同辐射波长的激光器。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：进一步包括以下步骤：合并具有不同波长的辐射和/或引导辐射和/或相对于表面移动投射图案。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：进一步包括以下步骤：单独调节至少两个辐射源的各自的辐射强度。

14.根据权利要求10到13中任一项所述的方法，其特征在于：个别的图案是一个条纹图，该条纹图特别是由投影系统的透明和不透明部分相对应的面形产生的。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：进一步包括以下步骤：根据三角测量法从检测器系统检测的投影图案中生成波长选择性三维表面数据并合并波长选择性数据；或者合并从检测器系统检测的投影图案中获得的波长选择性数据并根据三角测量法生成三维表面数据。