[发明专利]3D机器视觉扫描信息提取系统

说明书

技术领域

本发明涉及远程测量物体维度的装置领域，尤其涉及含有数据简化或计算方法的三维（3D）机器视觉扫描仪，前述方法使能与常见的工业控制器直接联接。

背景技术

机器视觉（MV）是在制造情形下使用计算机视觉的工程学的分支。“MV处理的目标在于识别图像中的实际物体并向这些物体赋予性质—理解它们意味着什么”（Fred Hapgood,Factories of the Future,Essential Technology,Dec15,2006）。

“3D扫描仪是分析真实世界物体或环境以收集关于其形状及可能关于其外表的数据的装置。之后，所收集的数据可用于构建数字、三维模型。3D扫描仪的目的通常在于创建物体表面的几何样本的点云。这些点可用于推算物体形状”（3D scanner,Wikipedia）。

3D扫描仪用作工业制造业的机器视觉在扫描仪产生越来越大量的扫描数据时受到根本的考验，因为该数据必须及时简化以适合工业控制器，否则处理将中断。由于摩尔定律预见更细粒的点云，主要问题变成有效的实时数据管理。如果使用3D扫描仪产生关于物体的信息，其使工业设备能快速和准确地对物体进行操作，数据流必须仅限于执行该任务所需的程度。

当前，每秒50万点的XYZ数据云发送给PC接口，其必须分析该数据并将之处理为工业控制器可使用的信息。采用多个PC需要编程和工程学专门知识以从点云或一系列2D切片提取量上足够小的有关信息从而使简单的工业控制器可有效地使用该信息。遗憾的是，处理通常太慢以至于不能对控制器及时起作用，延迟通常意味着工业制造或处理环境成本高、耗费、有时甚至有危险。

现有技术扫描数据预处理技术可在下述场合中发现，例如数码相机成像系统（US7791671）、POS扫描仪（US6085576）、及缺陷检测系统（US7783103），但所有这些均需要由扫描设备外部的中央单元进行另外的处理。前进一小步的是现场总线环境的采用（US7793017），其中来自多个传感器的数据转换到通用可寻址协议网络，但这并不能有效地寻址所需要的3D扫描仪数据分析以进行近实时的控制器使用。用于检查零件的三角测量扫描平台（US7812970）产生数据集，其由线性编码器电子电路处理以控制正进行扫描的物体的线性移动速率，但并未将近实时扫描数据馈给工业控制器。

另一问题在于大部分3D扫描系统采用2D区域图像捕获方法，其将2D快照合并在一起以形成3D线框模型。这并不是真正的3D扫描，其需要许多实施起来很困难的、有问题的及低效的解决方案。

在现有技术中尚未发现具有应用于3D机器视觉扫描的集成协议的数据负荷管理技术的在售、独立扫描仪设备，因而需要这样的设备以简化和优化许多领域中的工业处理和制造。

发明内容

3D机器视觉扫描仪传统上设计成从每一物体扫描提取所有有关处理数据然后将其直接发送给工业处理和制造控制器。用于工业处理的3D扫描仪（MV）可产生一组2D切片，其可被“堆在一起”以产生3D表示。新颖的设备从已通过可定制信息提取工具和方法简化的2D切片产生3D模型，使得发送给控制器的扫描数据的量更加可管理并可更快速地使用。通过该手段，更多的原始数据可在3D扫描仪设备上进行处理或摘要，然后直接发送给工业控制器进行处理控制，实际上实时。

使3D扫描仪与工业控制器直接接口连接并因而向其提供对控制器作出决定很重要的提取的信息而不是大量原始扫描数据，消除了对接收和处理大数据云的中间处理器的需要，同时还使工艺工程师能对扫描输出参数进行更直接的控制，无需依赖于扫描仪制造商针对每一新的扫描重新配置扫描仪。实现本发明的3D机器视觉扫描仪系统以工业控制器可使用的格式非常快速地对大量数据进行摘要，使得工业控制器能控制正进行扫描的物体或基于其做出决定。

3D机器视觉扫描仪系统可用于改善许多工业和制造处理。这些包括但不限于在木材加工厂中扫描原木以进行切除或切割；检测因机器人焊接造成的焊缝缺陷；准确测量非常大的不规则表面的低点以进行切除；自动剔出尺寸或形状方面的次果（或任何物体）；测量冷藏的比萨饼以确保其将能装入盒内；跟踪重绕卷盘的边缘以防止攀绕和缠结；准确测量物体参数以防止在堆叠时出现累积误差；检测挤出物或管中的缺陷；准确估计松散物体如冷冻食品的量以确保最佳冷藏能力，或准确估计木片/谷物的量以得到水分含量等。目前，所有这些处理均需要人工计算、专家编程能力、数据库管理、及数据处理，且通常成本很高、耗费劳动力和时间、及并不总是准确或自动。