专利名称：测量物体形状的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及光学计量，更具体地说，涉及利用编码的干涉条纹图的三维形状测量技术。
背景技术：
计量是测量的科学，是制造过程的重要方面。三维物体的非接触式测量是计量学中的重要方面，光学方法在此领域起着重要的作用。光学三维形状测量技术大致可分为两类技术扫描技术和非扫描技术。扫描技术的一个实例就是激光雷达。在此技术中，激光雷达通过用激光束扫描物体表面来检测物体的形状。用物体反射的光来创建物体模型。扫描方法，例如激光雷达，一般都很费时，因为它们需要进行一维或二维扫描来覆盖物体的整个表面。
测量三维表面的非扫描式技术通常比扫描技术要快些。而且，检索三维轮廓信息的图像处理也比较简单易懂。非扫描技术的一个实例是干涉条纹投影方法。干涉条纹投影方法是通过将干涉条纹图投影到待测物体上来进行三维形状测量的一种方法。摄像机，或其它图像检测装置，捕获已调制的干涉条纹图，即，来自物体表面的投影的干涉条纹图的图像。然后对这些图像进行处理，以便构建物体的三维形状。
干涉条纹投影方法可用于大物体(一次测量中为数米大小)和小物体(微米大小)。相移技术可以和干涉条纹检测技术一起使用。相移技术的一些优点包括高测量精度，大约为波的1/1000，快速测量能力，以及具有低反差干涉条纹的良好结果。在相移技术中，利用一些算法从摄像机捕获的物体已调制干涉条纹图的图像来建立相图。通常，需进行相位包裹和相位展开以获得连续的相图，从而获得三维形状。传统的相移测量系统获得包裹的相图，其重复相位值从0到360度。但在相图上没有起始点或结束点，使得建模过程几乎不可能完成。
所以，需要有一种改进的方法，以便在利用非扫描技术的非接触式三维形状测量方法中提高测量的精度。更具体地说，需要改进三维干涉条纹投影方法来解决上述问题。
发明内容
简言之，按照一个实施例，本技术提供用于测量物体形状的系统。所述系统包括投影系统，可用于将具有干涉条纹参考标记的干涉条纹图投影到物体上。所述系统还包括图像处理系统，可用于捕获由物体所调制的干涉条纹图的图像。图像处理系统还用于识别干涉条纹图的图像中的参考标记，以便根据参考标记来构建物体的形状。
按照另一方面，本技术提供测量物体形状的方法。所述方法包括将具有标记的编码的干涉条纹图投影到物体上。然后识别由物体调制的编码的干涉条纹图的相位包裹的图像中的所述标记。所述方法还包括利用所述标记作为绝对坐标系的参考点为相位包裹的图像建立绝对坐标系。
在参阅附图阅读了以下详细说明后，就能更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在所有附图中相同的标号代表相同的部件，附图中图1是按照本技术示范实施例的编码干涉条纹投影形状测量系统的图解表示；图2是按照本技术示范实施例的干涉条纹投影系统的图解表示；图3是按照本技术另一实施例的干涉条纹投影系统的图解表示；图4是按照本技术示范实施例的编码的干涉条纹图的图像；图5是按照本技术示范实施例的测量物体形状的过程的方框图；
图6是按照本技术示范实施例的用于生物测定扫描的编码干涉条纹投影系统的图解表示。
元件清单10物体形状测量系统；12物体；14投影装置；16成像装置(摄像机)；18编码的干涉条纹图；20投影的编码的干涉条纹图(已调制的干涉条纹图)的图像；22控制系统；24图像界面；26图像处理系统；28操作员工作站；30显示器模块；32打印机模块；34PACS；36内部工作站；38外部工作站；40内部数据库；42外部数据库；44干涉仪干涉条纹投影系统；46光源；48准直透镜；50射束分离器；52折叠镜面；54平面镜面；56来自光源的光束；58射向折叠镜面的光束；60射向平面镜面的光束；62折叠镜面中的狭缝；64折叠镜面的一部分；66折叠镜面的一部分；68来自折叠镜面的反射光束；70来自平面镜面的反射光束；72具有标记的编码的干涉条纹图；74衍射光栅系统；76光源；78准直透镜；80来自光源的光束；82光栅元件；84具有标记的编码的干涉条纹图；86具有标记的编码的干涉条纹图；88亮干涉条纹；90暗干涉条纹；92标记；93测量物体形状的方法；94产生具有标记的编码的干涉条纹图；96把具有各种相位移的编码的干涉条纹图投影到物体上；98捕获具有各种相位移的已调制的干涉条纹图的图像；100包裹相图；102展开相图；104识别标记；106产生绝对相图；108重构物体形状；110用于生物测定扫描的系统(虹膜扫描)；112人。
具体实施例方式
本技术一般针对编码干涉条纹投影技术，用于测量物体形状并产生有用的图像和数据供工业应用。这些技术利用将编码的干涉条纹图投影到物体上，捕获并处理所投影的编码的干涉条纹图的图像，来重构物体的三维形状。这些技术也适用于其它领域，例如生物测定扫描，用于为安全目的建立个人身份。
现转向附图，首先参阅图1，图中示出编码的干涉条纹投影测量系统的示范实施例。编码的干涉条纹投影测量系统10可用来测量三维物体12的形状。图示的编码的干涉条纹投影测量系统10包括编码的干涉条纹投影装置14和成像装置16。编码的干涉条纹投影装置14用于将编码的干涉条纹图18投影到物体12上。利用明显特征或标记将干涉条纹图编码。标记可以是单独的标记、醒目的干涉条纹图或者是可以投影到物体12上的其它类型的参考点标识符。此外，编码的干涉条纹投影装置14用于使编码的干涉条纹图移相。编码的干涉条纹投影装置14可以包括干涉仪、衍射光栅系统、全息光栅系统、数字干涉条纹投影系统或者是能将具有各种相位移的编码的干涉条纹图投影到物体12上的其它类型的投影系统。
编码干涉条纹投影测量系统10的成像装置16用于检测由物体12调制的编码的干涉条纹图20的图像。成像装置16可以是电荷耦合器件(CCD)摄像机或互补金属氧化物半导体(CMOS)摄像机。还有，摄像机可以是数字型的或模拟型的。在此实施例中，编码的干涉条纹投影测量系统10还包括用于控制编码的干涉条纹投影装置14和成像装置16的工作的控制系统20。
设置用作成像装置16和图像处理系统26之间的接口的图像接口24。图像接口24可以是帧接收器，所述帧接收器可以用于从一系列许多帧中记录具有模拟或数字视频信息的单一数字帧。图像接口24可以接收来自成像装置16的信号并将信号转换成帧。这些帧然后就被提供到图像处理系统26。图像处理系统26用于处理图像，产生物体12的相图或相位包裹图。图像处理系统26计算每个摄像机像素的相位值。将相图展开，以重构物体12的形状。
图像处理系统26和控制系统22可以连接到操作员工作站28，或类似的计算装置。图像处理系统26可以配置成接收来自操作员工作站28的指令和成像参数。操作员工作站28可以包括输入装置，例如键盘、鼠标以及其它用户交互装置(未示出)。操作员工作站28可以用来定制用于测量物体形状的各种设定值，并实现系统级的配置改变。因此，操作员可以通过操作员工作站28来控制系统10。
操作员工作站28还可以连接到显示器模块30和打印机模块32。显示器模块30可以配置成显示物体的三维图像。打印机模块32可以用来产生图像的硬拷贝。而且操作员工作站28还可以连接到图片归档系统(PACS)34，以归档图像。PACS可再通过网络连接到内部工作站36和/或外部工作站38，使在不同位置的人获得图像和图像数据。编码的干涉条纹投影测量系统10还可以通过内部工作站36向内部数据库40发送数据和接收其数据。同理，系统10还可以通过外部工作站38向外部数据库42发送数据和接收其数据。本专业的技术人员会理解，系统10可以或者用来测量物体的形状或者用来把测量的物体形状与已有的数据库进行比较。
现参阅图2，图中示出干涉仪44，它用作产生编码的干涉条纹图的干涉条纹投影成像系统的实例。干涉仪44配置成将两个光束结合在一起以产生干涉条纹图。干涉仪44包括光源46、准直透镜48、射束分离器50、折叠镜面52以及平面镜面54。光源46用于产生光束56。如图所示，射束分离器50以大约45度角定位并且涂有一种材料，可以反射大约一半的光并透射其余的光。光束56穿过准直透镜48到达射束分离器50。来自光源46的光束被分离，使得第一部分光58反射到折叠镜面52，而第二部分光60透射过射束分离器50射向平面镜面54。折叠镜面52具有中分面62和彼此保持一定角度的两部分64和66。第一部分光58被折叠镜面52反射回射束分离器50，第二部分光60被平面镜面54反射回射束分离器50。第一部分光58的反射光束68和第二部分光60的反射光束70在射束分离器50互相干涉，形成干涉条纹图72。移动镜面52的中分面62使干涉条纹图72中产生标记。折叠镜面52或平面镜面54的位置偏移半波长距离可使干涉条纹图偏移一个干涉条纹。此方法适用于移相技术。
现参阅图3，图中示出衍射光栅系统74，它用作产生编码的干涉条纹图的干涉条纹投影系统的附加实例。衍射是传播波的波前在障碍物附近弯折的一种现象。衍射光栅是一组平行的狭缝，用于利用衍射使光色散。在衍射光栅系统74中，光源76和准直透镜78用来将光80引导到衍射光栅82。衍射光栅82可以是反射的，或如图所示的透明的基底，并包括具有很细的、平行的、等间距的沟槽阵列。这些沟槽产生衍射和互相干涉，最终形成干涉条纹图84。在典型的衍射光栅中，所有沟槽或狭缝都是平行的和等距分布的。所以，所产生的干涉条纹图的线条也都是平行和相等的。但在此实施例中，沟槽不是等距分布的，所以所产生的干涉条纹图的线条不是等距分布的。
现参阅图4，图中示出编码的干涉条纹图86的实例。它包括亮干涉线条88，暗干涉线条90，以及作为标记92的较窄的暗干涉线条92。标记92用作干涉条纹图86的参考点。如果没有标记92，干涉条纹图86只不过是一系列平行的线条。
现参阅图5，图中示出利用编码的干涉条纹图测量三维物体形状的过程，所述过程总的用标号93表示。在此过程中，产生编码的干涉条纹图，以方框94表示。然后将具有各种相移的编码的干涉条纹图投影到物体上，以方框96表示。采用相移技术，将具有各种相移(从0度到360度)的编码的干涉条纹图投影到物体上。被物体表面所调制的、具有各种相移的投影的编码的干涉条纹图的图像由成像装置捕获，以方框98表示。投影装置投影编码的干涉条纹图的角度和成像装置捕获已调制编码的干涉条纹图的图像的角度是不同的。为了补偿这个角度差，可以变换已调制编码的干涉条纹图的图像坐标。
所获得的相移图像的数目可以改变。通常，通过解不同相角的相移参考图像来计算包裹的相图，以方框100表示。包裹的相图具有在-π弧度到+π弧度之间的周期值。将所述包裹的相图展开，以便产生代表“地形”(terrain)的相位值的连续变化，以方框102表示。通过在数值每次从2π弧度跳跃到0或从0跳跃到2π弧度时加上或减去2π弧度来展开所述包裹的相图。展开的相图看上去类似于轮廓图。从展开的相图中可以提取位移的幅度和方向。然后识别展开的相图中的标记，以方框104表示。根据识别的在展开的相图中的标记，从编码的干涉条纹图产生绝对相图，以方框106表示。然后可以计算绝对坐标系中的坐标，无任何失真地建立物体模型或重构物体形状，以方框108表示。
现参阅图6，图中示出可以用来对人体112进行生物测定扫描的生物测定扫描系统110。生物测定扫描可以是虹膜(眼睛)扫描、指纹扫描或可以用于建立个人112身份的其它技术。系统110基本上类似于图1所讨论的系统10，进行生物扫描的过程也基本上类似于图5中所述的过程93。系统110可用于捕获生物测定信息，或用于对捕获的生物测定信息与已有的数据库进行比较。
还应理解，上述技术可以采取由计算机或控制器实施的过程和用于实现这些过程的装置的形式。上述技术也可以用包含用于测量物体形状的指令的计算机程序代码的形式来实现。所述计算机程序代码可以被包括在有形介质中，例如软盘、CD-ROM、硬盘驱动器或任何其它计算机可读的存储介质中。将计算机程序代码加载到计算机或控制器中并且由其执行；计算机就成为实现所述技术的装置。所公开的内容也可以用计算机程序代码或信号的形式来体现，例如，存储在存储介质中、加载到计算机或控制器中和/或由其执行、或在某种传输介质上传输例如在电线或电缆上、通过光纤、或通过电磁辐射，其中，当计算机程序代码加载到计算机上并由其执行时计算机就成为实现此技术的装置。在通用微处理器上实施时，计算机程序代码段将配置微处理器来创建具体的逻辑电路。
虽然仅对本发明的某些特征作了图示和说明，但是本专业的技术人员会想到许多修改和变化。所以应理解，所附权利要求书旨在覆盖属于本发明真正精神范围内的所有这些修改和变化。
权利要求
1.一种三维形状测量系统(10)，所述系统包括投影系统(14)，用以将具有参考标记的干涉条纹图(18)投影到物体(12)上；图像处理系统(26)，用以捕获由所述三维物体(12)调制的所述干涉条纹图(18)的图像，其中所述图像处理系统(26)可以用于识别由所述三维物体(12)调制的所述干涉条纹图(18)的所述图像中的所述参考标记，并利用所述参考标记作为参考点来建立坐标系，以重构所述三维物体(12)的形状。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述投影系统(14)可以投影具有多个相移的多个干涉条纹图(18)。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述图像处理系统(26)可以捕获具有所述参考标记由所述三维物体(12)调制的所述干涉条纹图的所述图像(20)，其中所述图像处理系统(26)可以利用具有所述参考标记由所述三维物体(12)调制的所述干涉条纹图的所述图像(20)来产生所述三维物体(12)的相位包裹的图像以及具有所述参考标记由所述三维物体(12)调制的所述干涉条纹图。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述图像处理系统(26)可以识别所述相位包裹的图像中的所述参考标记并且可以利用所述参考标记作为所述坐标系的所述参考点。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述图像处理系统(26)可以利用基于所述参考标记的所述坐标系来展开所述相位包裹的图像。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述投影系统(14)包括干涉仪。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述投影系统(14)包括衍射光栅。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述投影系统(14)包括数字干涉条纹投影系统。
9.如权利要求1所述的系统，其中还包括控制系统(22)，它配置成控制所述投影系统(14)的工作，以便将具有所述参考标记的包括多个相移的多个干涉条纹图投影到所述三维物体(12)上。
10.一种三维形状测量方法，所述方法包括将具有参考标记的编码的干涉条纹图投影到物体(12)上；捕获由所述物体(12)调制的具有所述参考标记的所述编码的干涉条纹图的图像(20)；利用由所述物体(12)调制的具有所述参考标记的所述编码的干涉条纹图的图像产生所述物体(12)的相位包裹的图像；识别所述物体(12)的所述相位包裹的图像中的所述参考标记；以及利用所述参考标记作为参考点，展开由所述物体(12)调制的所述编码的干涉条纹图的所述相位包裹的图像。
全文摘要
按照本发明的一个方面，提供测量物体(12)形状的系统(10)。所述系统包括投影系统(14)，用于将具有干涉条纹参考标记的干涉条纹图投影到物体(12)上。所述系统还包括图像处理系统(26)，用于捕获由物体(12)所调制的干涉条纹图的图像(20)。图像处理系统(26)还可用于识别干涉条纹图的图像中的参考标记，根据参考标记来构建物体的形状。
文档编号G01B11/25GK1766522SQ20051010875
公开日2006年5月3日 申请日期2005年9月30日 优先权日2004年9月30日
发明者Q·胡, K·G·哈丁 申请人:通用电气公司