[发明专利]确定测量物体表面上的3D坐标的光学测量方法和测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及用于确定测量物体表面的大量测量点的3D坐标的光学测量方法，并且涉及出于相同目的而设计的测量系统。

背景技术

具体来说，这种装置和方法被用于机械工程、汽车工程、陶瓷工业、制鞋工业、珠宝工业、牙科技术与人类医学(矫形术)以及另一些领域，并且例如在用于质量控制、逆向工程、快速原型、快速铣削或数字实体模型的测量和记录方面被采用。

对于生产工序期间的大致完整的质量控制，和对于原型的空间形状的数字化的不断增长的需求导致记录表面原型，甚至更频繁发生的测量任务。在这种情况下，该任务造成短时间确定要测量物体表面的各个点的坐标。

从现有技术已知的测量系统使用图像序列并且用于确定测量物体的3D坐标，其例如可以被设计为便携式、手持式和/或永久安装系统，在这种情况下，通常具有用于利用某个图案来照射该测量物体的图案投影仪，并由此有时还被称为图案投影3D扫描仪或轻型结构3D扫描仪。由作为测量系统的另一组件的摄像机系统来记录投影到测量物体表面上的图案。

在测量期间，投影仪这样利用不同图案(例如，具有不同宽度的平行光与暗条纹，具体来说，该条纹图案例如还可以旋转例如90°)按时间次序地照射。摄像机按照针对投影的已知视角来登记所投影的条纹图案。利用每一个摄像机来记录针对每一个投影图案的图像。由此，获得了针对所有摄像机的每一个像素的不同亮度值的时间序列。

然而，除条纹以外，在这种情况下，还可以投影其它合适图案，举例来说，如随机图案、伪码等。根据技术发展水平，适于这种情况的图案是本领域技术人员充分已知的。通过示例的方式，伪码使能更容易绝对对准物体点，但在投影非常精细的条纹时变得愈加困难。由此，为了这个目的，或者可以首先快速连续投影一个或更多个伪码，后面是精细条纹图案，不然就以连续记录投影按次序变得更精细的条纹图案，直到按测量物体表面上的测量点的分辨率实现希望精度为止。

接着，可以利用这一领域的技术人员已知的方法，借助于根据摄影测量和/或条纹投影的图像处理，根据所记录的图像序列来计算测量物体表面的3D坐标。例如，这种测量方法和测量系统在WO 2008/046663、DE 101 27 304 A1、DE 196 33 686 A1，或DE 10 2008 036 710 A1中进行了描述。

该摄像机系统通常包括一个或更多个数字摄像机，其在按已知空间位置测量期间彼此相对地定位。为了确保摄像机的彼此相对的稳定位置，它们主要以已知空间定位和对准，按固定方式一起集成在公用壳体中，具体来说，这些摄像机按各个摄像机针对大部分的视野交叠的方式来对准。在这种情况下，通常使用两个或三个摄像机。这里，投影仪可以永久地连接至摄像机系统(在这种情况下，使用分离摄像机，而且，这些摄像机中的仅仅部分摄像机存在于摄像机系统中)，或者也可以与摄像机系统完全分离地定位。

在一般情况下，就是说，在投影仪与摄像机系统相对的相对定位和对准彼此相对地固定并由此不是预先已经了解的情况下，该表面的希望三维坐标按两个步骤来计算。在第一步骤中，投影仪的坐标因而确定如下。摄像机图像中的图像坐标相对于指定物体点是已知的。投影仪对应于反转摄像机(reversed camera)。已经根据针对每一个摄像机像素的图像序列测量的亮度值序列可以被用于计算条纹的编号。在最简单的情况下，这经由将条纹的编号标记为投影仪的离散坐标的二进制码(例如，格雷码(Gray code))来完成。可以利用所谓的相移方法来实现更高的精度，因为其可以确定非离散坐标。其可以被用作格雷码的补充，或者用作绝对测量外差法。

一旦按这种方式确定了投影仪位置，或者假定所述位置已经预先相对于摄像机系统是已知的，就可以如下确定测量物体表面上的测量点的3D坐标，例如，利用正截面(forward section)方法。投影仪中的条纹编号对应于摄像机中的图像坐标。该条目编号指定空间中的光平面，该图像坐标指定光束。假定已知摄像机和投影仪位置，可以计算该平面和直线的交点。这是物体点在传感器的坐标系统中的希望三维坐标。所有图像射束的几何位置必须精确地了解。这些射束的精确计算利用根据摄影测量了解的正截面来执行。