自动化管道镜测量端头准确度测试的制作方法

自动化管道镜测量端头准确度测试的制作方法
【专利摘要】使用包括具有已知的几何特性的测试特征的测试对象来测试远程可视检查（RVI）系统的测量准确度。使用控制器，检测可拆卸测量光学端头到RVI探测器的附接。然后，提示用户执行测量准确度的测试。在用户指示测试特征可见时，系统捕获测试特征的一个或更多图像，从图像确定测试特征的坐标，并且使用坐标来测量测试特征的几何特性。使用所测量的几何特性和已知的几何特性来确定准确度结果，并且例如对用户提供比较的结果的指示。还描述了具有用户提示装置的RVI系统。
【专利说明】自动化管道镜测量端头准确度测试

【技术领域】
[0001] 在本文中公开的主题涉及可视检查系统，并且，更具体地，涉及评价这样的系统的 性能的方式。

【背景技术】
[0002] 远程可视检查（RVI)系统，例如管道镜，准许观察不可由人类检查员直接得到的特 征，诸如涡轮叶片。RVI系统还准许对人类有害的诸如有毒的或非常热的气氛的区域中的可 视检查。RVI系统通常具有可拆卸的端头。检查员针对每次检查而选择适当的端头。一些 端头准许不仅捕获正在被检查的对象的图像，而且还捕获那些对象的形状的三维数据。例 如，相位测量端头将例如平行线的结构光图案投影至检查目标上。然后，捕获目标的图像。 当从目标反射时的结构光图案的相位取决于图案投影器与目标之间的距离。在各种示例 中，两个单独投影的条纹集的绝对相位之间的差用于确定对象距离。
[0003] 然而，重复的端头附接及拆卸，除了端头工作的环境条件之外，还可能随着时间推 移而降低或改变端头的性能。例如，一些端头包括光源。那些光源可能有灰尘或其他污染 物结成块状，从而减小光输出。对于使用通常均匀照明的端头、诸如相位测量端头，有差异 的亮度减小可能降低使用其所测量的3-D数据的准确度。
[0004] 现有的系统使用试块来对图像捕获端头执行放大率的验证。对用于3-D测量的端 头，试块还能够用于验证三角测量几何。试块包括具有已知尺寸的可见特征和将端头相对 于该特征而保持在适当的位置的固定装置。为了检验放大率，用户将端头插入试块中并捕 获该特征的图像。然后，用户使用RVI系统的法线测量功能来测量该特征的尺寸。这通常 包括：将十字准线、指针或其他定位器手动地定位在该特征的各部分上；将关于端头和试 块的数据输入RVI系统中；从RVI系统接收十字准线之间的测量；以及将该测量与已知值 相比较。尽管该类型的验证能是有用的，但其限于简单的尺寸测量，并且，不适合于更先进 的端头，诸如能够用于采取3-D测量的相位测量端头。
[0005] 上文的讨论只不过针对通常的背景信息而提供，并且，不旨在用作在确定所要求 保护的主题的范围的方面的帮助。


【发明内容】

[0006] 此外，现有技术未能意识到的问题是，随着时间推移的渐变通常对人类而言难以 察觉。观察来自具有差异地变模糊的光源的3-D测量端头的图像的人类检查员可能未认识 到，3-D数据并不如期望那样准确。尽管一些可立体测量的RVI系统包括确定立体数据的准 确度的测试，但是这些测试仅在检查员的要求下执行。因此，存在对自动地确定端头的性能 是否受损且在受损的情况下警告RVI系统的用户的方式的需要。
[0007] 因此，使用包括具有已知的几何特性的测试特征的测试对象来测试远程可视检查 (RVI)系统的测量准确度。使用控制器，检测可拆卸测量光学端头到RVI探测器的附接。然 后，提示用户执行测量准确度的测试。在用户指示测试特征可见时，系统捕获测试特征的一 个或更多图像，从图像确定测试特征的坐标，并且，使用坐标来测量测试特征的几何特性。 使用所测量的几何特性和已知的几何特性来确定准确度结果，并且，例如对用户提供比较 的结果的指示。
[0008] 在本方法的一些公开的实施例的实践中可以认识到的优点是，自动地为准确度而 检验数据，不要求用户在测试特征在端头的视场中位于适当的位置之后对十字准线进行定 位或采取其他手动的步骤。提示用户执行验证，从而有利地减小渐变未被检测到的概率。各 种实施例能够提供诸如3-D相位测量端头的准许测量图像捕获以外的数据的端头的验证。
[0009] 在实施例中，公开了测试远程可视检查系统的测量准确度的方法。测试使用包括 具有已知的几何特性的测试特征的测试对象来执行。该方法包括使用控制器来自动地执行 以下的步骤：检测可拆卸测量光学端头到远程可视检查系统的探测器的附接；在检测到可 拆卸测量光学端头的附接之后，经由用户提示装置而提示用户执行远程可视检查系统的测 量准确度的测试；捕获测试对象上的测试特征的一个或更多图像；使用所捕获的图像的至 少一些来确定测试特征的坐标；使用测试特征的所确定的坐标来确定测试特征的所测量的 几何特性；使用所测量的几何特性和已知的几何特性来确定准确度结果；以及提供所确定 的准确度结果的指示。
[0010] 在另一个实施例中，公开了远程可视检查系统。该系统包括：探测器，适合于容纳 可拆卸测量光学端头，该探测器包括适合于通过可拆卸测量光学端头而观察目标并捕获目 标的一个或更多图像的图像传感器；用户提示装置；检测电路，适合于检测可拆卸测量光 学端头到探测器的附接；控制器，响应于由检测电路进行的对附接的检测以：经由用户提 示装置而提示用户以所选择的相对于图像传感器的取向而放置测试对象，测试对象包括具 有已知的几何特性的测试特征；操作图像传感器来捕获测试特征的一个或更多图像；使用 所捕获的图像的至少一些来确定测试特征的坐标；使用测试特征的所确定的坐标来确定测 试特征的所测量的几何特性；使用所测量的几何特性和已知的几何特性来确定准确度结 果；以及提供所确定的准确度结果的指示。
[0011] 本发明的该概述仅旨在提供根据一个或更多说明性的实施例的在本文中公开的 主题的简要的综述，并且，不充当对解释权利要求的指导或者定义或限制仅由所附权利要 求定义的本发明的范围。该概述提供来以简化形式介绍说明性的概念选择，在下文中，在 详述中进一步描述该概念选择。该概述不旨在识别所要求保护的主题的关键特征或基本特 征，也不旨在用作对确定所要求保护的主题的范围的帮助。所要求保护的主题不限于解决

【背景技术】中所强调指出的任何或全部缺点的实现方案。
[0012] 按照本公开的一个方面，提供一种测试远程可视检查系统的测量准确度的方法， 所述测试使用包括具有已知的几何特性的测试特征的测试对象，所述方法包括使用控制器 来自动地执行以下的步骤： 检测可拆卸测量光学端头到所述远程可视检查系统的探测器的附接； 在检测到所述可拆卸测量光学端头的附接之后，经由用户提示装置而提示用户执行所 述远程可视检查系统的所述测量准确度的测试； 捕获所述测试对象上的所述测试特征的一个或更多图像； 使用所述捕获的图像的至少一些来确定所述测试特征的坐标； 使用所述测试特征的所述确定的坐标来确定所述测试特征的所测量的几何特性； 使用所述测量的几何特性和所述已知的几何特性来确定准确度结果；以及 提供所述确定的准确度结果的指示。
[0013] 按照一个方面的方法，其中，所述确定准确度结果步骤包括作为所述测试特征的 所述测量的几何特性与所述已知的几何特性之间的差而计算所述准确度结果。
[0014] 按照一个方面的方法，其中，所述确定准确度结果步骤包括： 基于所述测试特征的所述测量的几何特性与所述已知的几何特性之间的差而确定准 确度值； 将所述准确度值与预定的容许准确度值相比较；以及 提供所述比较的结果作为所述准确度结果。
[0015] 按照一个方面的方法，其中，所述检测步骤包括将测试电压施加至检测电路并测 量所述检测电路中的测试点的电压，其中，配置所述检测电路使得所述测试点的所述电压 在附接所述可拆卸测量光学端头时与在未附接所述可拆卸测量光学端头时不同。
[0016] 按照一个方面的方法，其中，所述探测器包括图像传感器，并且所述可拆卸测量光 学端头是结构光测量光学端头、立体光学端头或阴影光学端头。
[0017] 按照一个方面的方法，其中，所述可拆卸测量光学端头包括多个发光二极管 (LED)，并且适合于在所述控制器启动所述LED的任何一个时，将结构光图案投影至所述图 像传感器的视场中的对象上。
[0018] 按照一个方面的方法，其中，所述提示步骤包括等待来自用户输入装置的测试开 始指示。
[0019] 按照一个方面的方法，其中，所述用户提示装置是屏幕。
[0020] 按照一个方面的方法，其中，所述提示步骤包括： 在所述屏幕上呈现来自所述探测器中的图像传感器的运动图像；以及 在所述屏幕上以相对于所述测试特征的期望的取向呈现来自图像传感器的图像的可 视表示。
[0021] 按照一个方面的方法，还包括确定所述附接的测量光学端头的识别并使用所述确 定的识别来选择所述可视表示。
[0022] 按照一个方面的方法，其中，所述测量的几何特性是所述测试特征的长度、宽度、 高度、深度、半径或与平坦的平面或其他参考表面的偏差，并且其中，所述测试特征包括平 坦的表面、球面或其他凸起的三维（3-D)表面、或者狭槽、圆形槽或其他凹入的3-D表面。
[0023] 按照一个方面的方法，其中，所述确定的坐标是三维（3-D)坐标，所述已知的几何 特性包括多个参考点的3-D坐标，并且所述测量的几何特性是所述确定的坐标与所述参考 点之间的距离度量。
[0024] 按照一个方面的方法，其中，所述距离度量是所述确定的坐标的至少一些与所 述参考点的对应的一些之间的相应的距离的均方值（quadratic mean)、平方和（sum of squares)、平方平均值（mean of squares)或平均数。
[0025] 按照一个方面的方法，其中，所述确定测量的几何特性步骤包括提供表示所述测 量的几何特性的一个或更多值，所述已知的几何特性包括表示所述测试特征的一个或更多 预定值；并且，所述确定准确度步骤包括计算表示所述测量的几何特性的所述一个或更多 值与所述已知的几何特性的所述一个或更多预定值之间的差。
[0026] 按照一个方面的方法，其中，所述比较步骤包括确定所述计算的差是否小于所述 预定的容许准确度值。
[0027] 按照一个方面的方法，其中，所述提供指示步骤包括经由用户输出装置对用户呈 现所述比较的结果的可视的、可听的或触觉的指示。
[0028] 按照一个方面的方法，其中，所述测试特征包括布置为可由所述探测器中的图像 传感器检测的第一、第二以及第三基准点，并且，所述确定测量的几何特性步骤包括确定所 述第一基准点与所述第二基准点之间的第一距离和所述第二基准点与所述第三基准点之 间的第二距离。
[0029] 按照一个方面的方法，还包括自动地检索与所述附接的测量光学端头相对应的校 准数据，其中，使用所述检索的校准数据来执行所述测量步骤。
[0030] 按照一个方面的方法，还包括： 确定所述附接的测量光学端头的识别； 存储所述确定的识别和所述确定的准确度结果；以及 将所述检测附接、用户提示、图像捕获、坐标确定、特性确定、准确度结果确定、识别确 定以及存储步骤重复多次。
[0031] 按照本公开的另一个方面，提供一种远程可视检查系统，包括： 探测器，适合于容纳可拆卸测量光学端头，所述探测器包括适合于通过所述可拆卸测 量光学端头来观察目标并捕获所述目标的一个或更多图像的图像传感器； 用户提示装置； 检测电路，适合于检测所述可拆卸测量光学端头到所述探测器的附接； 控制器，响应于由所述检测电路进行的对附接的检测以： 经由所述用户提示装置而提示用户以相对于所述图像传感器的所选择的取向来放置 测试对象，所述测试对象包括具有已知的几何特性的测试特征； 操作所述图像传感器来捕获所述测试特征的一个或更多图像； 使用所述捕获的图像的至少一些来确定所述测试特征的坐标； 使用所述测试特征的所述确定的坐标来确定所述测试特征的所测量的几何特性； 使用所述测量的几何特性和所述已知的几何特性来确定准确度结果；以及 提供所述确定的准确度结果的指示。

【专利附图】

【附图说明】
[0032] 通过参考某些实施例，以便本发明的详细描述可能具有能够理解本发明的特征的 方式，在附图中说明一些实施例。然而，要注意到，附图仅仅说明本发明的某些实施例，因 此，不被认为是对其范围的限制，因为本发明的范围包含其他同样地有效的实施例。附图不 一定按比例尺绘制，重点通常放在说明本发明的某些实施例的特征。在附图中，遍及各种视 图，相同的数字用于指示相同的部分。从而，为了进一步理解本发明，能够对以下的详细描 述作出参考，结合附图来阅读该参考，在附图中： 图1是示范性的远程可视检查系统的示意图； 图2是根据示范性的实施例的用于远程可视检查系统的可拆卸的端头的部件的透视 图； 图3是说明测试远程可视检查系统的测量准确度的示范性的方式的流程图； 图4是示出示范性的数据处理系统及相关部件的高层图； 图5是使用细长模具来制作的光发射器模块上的示范性的发光二极管（LED)阵列的顶 视图； 图6是包括线光栅的示范性的强度调制元件的顶视图； 图7是通过使光通过强度调制元件而创建的结构光图案的示范性的图像； 图8A是示范性的测试特征的透视图； 图8B是示出示范性的测试特征的横截面的透视图； 图9是示范性的测试特征的平面图；以及 图10是示范性的测试对象的透视图。

【具体实施方式】
[0033] 在以下的描述中，一些实施例将以一般地实现为软件程序的术语描述。本领域技 术人员将容易地认识到，这样的软件的等效物还能够以硬件(硬接线的或可编程的)、固件 或微代码构建。因此，本发明的实施例可以采取完全硬件的实施例、完全软件的实施例(包 括固件、常驻软件或微代码）或将软件和硬件方面组合的实施例的形式。软件、硬件以及组 合通常全部能够在本文中被称为"服务"、"电路"、"线路"、"模块"或"系统"。各种方面能够 体现为系统、方法或计算机程序产品。由于数据操作算法和系统众所周知，因而本说明书将 具体地针对形成本文中所描述的系统和方法的一部分或与本文中所描述的系统和方法更 直接地协作的算法和系统。从本领域中已知的这样的系统、算法、部件以及元件选择这样的 算法和系统的其他方面以及在本文中未专门示出或描述的用于产生且另外处理涉及硬件 或软件的信号或数据的硬件或软件。考虑到如在本文中所描述的系统和方法，对任何方面 的实现有用的在本文中未专门示出、提出或描述的软件是常规的且在这样的领域中的普通 技术内。
[0034] 图1是示范性的远程可视检查系统的示意图。在美国公开No. 2011/0205552中 描述该系统的更多的细节。在图1中说明的是，示出示范性的管道镜/内窥镜探测器或系 统100。插入管40包括细长部分46和可拆卸远端端头42。细长部分46包括主要的长的 柔性部分、弯曲颈部以及摄像机头。轮廓标线41示出摄像机头在细长部分46上何处开始。 细长部分46的摄像机头典型地包括至少图像传感器112、电子设备113以及探测器光学器 件115。可拆卸远端端头42典型地附接到上文提到的细长部分46的摄像机头。可拆卸远 端端头42包含观察光学器件44,该观察光学器件44与探测器光学器件115组合而用于将 从表面或对象(未示出）接收的光引导并聚焦至图像传感器112上。观察光学器件44可以 任选地包括继电器光学器件，诸如透镜或光纤系统，以使摄像机头远离远端端头42。在本文 中，术语"成像器"和"图像传感器"可互换。
[0035] 图像传感器112可以包括例如响应于在每个像素感测的光级而输出视频信号的 光敏像素的二维阵列。图像传感器112可以包括电荷耦合装置（CXD)、互补金属氧化物半导 体（CMOS)图像传感器或类似的功能的其他装置。视频信号由电子设备113缓冲并经由信 号线114而传送至成像器接口电子设备31。成像器接口电子设备31可以包括例如电源、用 于生成图像传感器时钟信号的定时发生器、用于使图像传感器视频输出信号数字化的模拟 前端以及用于将数字化的图像传感器视频数据处理成对视频处理器50更有用的格式的数 字信号处理器。
[0036] 视频处理器50执行不限于图像捕获、图像增强、图形覆盖合并（graphical overlay merging)以及视频格式转换的各种功能并将关于那些功能的信息存储在视频存 储器52中。视频处理器50可以包括现场可编程门阵列（FPGA)、数字信号处理器（DSP)或 其他处理元件，将信息提供至中央处理单元（CPU) 56,并且，从中央处理单元（CPU) 56接收 信息。所提供的信息和所接收的信息可能涉及命令、状态信息、视频、静态图像或图形覆盖。 视频处理器50还将信号输出至各种监视器，诸如计算机监视器122、视频监视器120以及集 成显示器121。在下文中，参考图4,描述视频处理器50的部件或连接至视频处理器50的 部件的示例。
[0037] 在连接时，计算机监视器122、视频监视器120或集成显示器121的每个典型地显 示检查中的对象或表面的图像、菜单、光标以及测量结果。计算机监视器122典型地是外部 计算机类型的监视器。类似地，视频监视器120典型地包括外部视频监视器。集成显示器 121集成并构建至探测器或系统100中，并且，典型地包括液晶显示器（IXD)。
[0038] CPU 56能够使用程序存储器58和非易失性存储器60两者，这两者可以包括可移 动存储装置。CPU 56还可以使用用于程序运行和暂时存储的诸如RAM的易失性存储器。小 键盘64和操纵杆62将用户输入传送至CPU 56,以便执行诸如菜单选择、光标移动、滑块调 整以及清晰度控制的功能。计算机I/O接口 66将各种计算机接口提供至CPU 56,诸如USB、 火线（FIREWIRE)、以太网、音频I/O以及无线收发器。另外的用户I/O装置，诸如键盘或鼠 标，可以连接至计算机I/O接口 66以提供用户控制。CPU 56生成图形覆盖数据以便显示， 提供撤销功能和系统控制，并且，提供图像、视频以及音频存储。在下文中，参考图4,描述 CPU 56的部件或连接至CPU 56的部件的示例。在各种实施例中，CPU 56被配置成执行相 移或阴影分析和测量处理。
[0039] 探测器或系统100还包括接触件36,该接触件36将细长部分46通过摄像机头而 电耦合至远端端头42。接触件36可以是弹簧负荷的，并且，还将电功率从驱动导体35提供 至光发射器模块37,该光发射器模块37包括多个光发射器。驱动导体35将功率从发射器 驱动32运载至平行地配置在插入管40的远端上的多个光发射器。驱动导体35包括一个 或更多电线，并且，可以与信号线114 一起并入常见的外层护套(未示出）中。驱动导体35 还可以与信号线114共享导体或利用插入管40的结构来运载电流。发射器驱动32包括例 如可调整的电流源，该电流源具有关于时间的变量，以补偿具有不同的功率容量和效率的 光发射器。发射器驱动32还包括亮度或条纹对比度确定功能39。备选地，在上文中讨论的 视频处理器50可以包括条纹对比度确定功能39。
[0040] 远端端头42上的至少一个光发射器模块37能够包括多个光发射器，并且，任选地 包括用于光发射器的控制/排序、温度感测以及校准数据的存储/检索的其他电子设备。至 少一个光发射器模块37可以包括由陶瓷或金属构成的热沉，例如，以减小多个光发射器的 温度上升。在各种实施例中，使来自配置在远端端头42上的多个光发射器的光通过至少一 个强度调制元件38,以变更光的分布并将至少一个结构光图案投影在适合于相移分析的表 面上。条纹集包括在多个光发射器的至少一个的一个光发射器组发射光时投影的结构光图 案。使来自多个光发射器的光通过至少一个强度调制元件38,以将多个条纹集投影至表面 上。在其他实施例中，来自一个或更多光发射器的一些光被对象吸收或反射，从而投影已知 的形状的阴影。
[0041] 在使用相位测量的实施例中，在多个条纹集的至少一个投影至表面上时，探测器 以测量模式工作。在测量模式的期间，光发射器模块37被启用，并且，捕获包括表面上的 结构光图案的至少一个数字图像。可以直接地对至少一个所捕获的数字图像执行相移分 析。也可以对从至少一个所捕获的数字图像导出的数据执行相移分析。例如，能够使用从 YCrCb、RGB或任何其他所捕获的图像的格式导出的亮度分量。从而，在本文中作出的对执 行关于图像的相移分析的任何参考包括执行关于实际的参考图像或关于从参考图像导出 的任何数据的相移分析。
[0042] 在使用相位测量的实施例中，或在其他实施例中，在至少一个结构光图案不存在 时，探测器以检查模式工作。在检查模式的期间，检查光源123被启用，并且，输出来自插入 管40的远端的光。在检查模式的期间产生光并递送光的元件可以被统称为检查光递送系 统。在一个实施例中，检查光递送系统包括检查光源123、源纤维束24、快门机构34、探测器 纤维束125以及光传递元件43。在其他实施例中，检查光递送系统可以包括迥然不同的元 件，在远端地定位的白光LED的情况下，诸如能够被禁用或提供可调整的输出电流的LED驱 动电路、用于将功率递送至LED的电线、LED本身以及保护LED的保护元件。例如，在测量 模式的期间，来自检查光递送系统的光输出的强度自动地减少，以避免减小至少一个结构 光图案的对比度。
[0043] 检查光源123典型地是白光源，但是可以包括能够近端地或远端地定位的任何对 探测器合适的光源，诸如水银或金属齒化物弧光灯、碘钨灯、激光/磷光体系统或基于LED 的光源。在使用基于纤维的光源时，源纤维束24被包括在探测器或系统100中。源纤维束 24包括非相干的或半相干的光纤束，并且，将光传送至快门机构34。快门机构34,在检查模 式或定期的检查的期间，允许从检查光递送系统输出光，并且，在测量模式或测量图案投影 的期间，阻止或另外抑制从检查光递送系统输出光。快门机构34包括例如螺线管或电动机 驱动的机械快门或电光源禁用器。快门机构34的位置可能基于其实现方案而变化。在快 门机构34允许光通过时，探测器纤维束125将光经由光传递元件43而递送至表面或检查 地点。探测器纤维束125能够包括非相干的光纤束。光传递元件43能够包括玻璃棒成形 的纤维或分布控制特征，诸如透镜或漫射器。
[0044] 先前讨论的成像器接口电子设备31、发射器驱动32以及快门机构34被包括在探 测器电子设备48中。探测器电子设备48可以从主控制单元或CPU 56物理地分离，以提供 探测器相关的操作的期间的更多的局部控制。探测器电子设备48还包括校准存储器33。 校准存储器33存储关于远端端头42或细长部分46的光学系统的信息，诸如放大率数据、 光学畸变数据以及图案投影几何数据。
[0045] 也被包括在探测器电子设备48中的微控制器30,与成像器接口电子设备31通信， 以确定并设定增益和曝光设定；控制发射器驱动32的线路；存储并阅读来自校准存储器33 的校准数据；控制快门机构34;并且，与CPU 56通信。在下文中，参考图4,讨论微控制器 30的部件或连接至微控制器30的部件的示例。
[0046] 回头查阅远端端头42,在远端端头42中示出的元件能够备选地定位在细长部分 46上。这些元件包括在上文中讨论的观察光学器件44、至少一个光发射器模块37、至少一 个强度调制元件38以及光传递元件43。另外，当至少一个强度调整元件38配置在远端端 头42上时，包括多个光发射器的至少一个光发射器模块37能够固定地附接到插入管40。 在这样的实施例中，要求远端端头42与细长部分46之间的精确的且可重复的对准，该对准 准许在消除对细长部分46与远端端头42之间的接触件的需要的同时，实现准许不同的视 场的优点。
[0047] 在上文中所提到的，在相位测量的实施例中，通过使光通过至少一个强度调制元 件38,这变更光的分布，从而在表面上创建结构光图案。结构光图案能够包括平行光和包括 正弦曲线强度分布图的暗线。在与合适的相移分析一起用于确定图案的相位时，具有正方 形的、梯形的、三角形的或其他的分布图的线图案同样地可以被投影在表面上。图案还可以 包括除了直线、平行线之外的线。例如，弯曲线、波形线、之字形线或其他这样的图案可以与 合适的分析一起使用。
[0048] 在一个相位测量的实施例中，在图6中所示出的，至少一个强度调制元件38包括 线光栅90。另外，至少一个光发射器模块包括多个光发射器。具体地，至少一个光发射器模 块包括LED或LED阵列。
[0049] 在各种相位测量的实施例中，条纹集包括在多个光发射器的至少一个的一个光发 射器组发射光时投影的结构光图案。定位光发射器模块37的多个光发射器，使得在至少一 个光发射器的一组发射时投影的结构光图案表现出相对于在至少一个光发射器的其他组 发射时投影的结构光图案的空间或相移。换句话说，一个条纹集的结构光图案表现出相对 于其他条纹集的结构光图案的空间或相移。
[0050] 图2是根据示范性的实施例的例如远端端头42 (图1)的用于远程可视检查系统 的可拆卸端头142的部件的透视图。针对取向而示出的，端头142能够附接到插入管40。 端头142的所说明的部件能够被封闭在屏蔽那些部件免受污垢或其他污染物、机械损伤或 恶劣环境的壳体中。端头142能够用于使用结构光图案来执行相位测量。在上文中所参考 的美国公开No. 2011/0205552中描述端头142的更多的细节。
[0051] 包括多个光发射器的两个光发射器模块137a、137b定位在向前观察光学器件144 的每一侧。定位在观察光学器件144的一侧的多个光发射器包括第一光发射器模块137a， 并且，定位在观察光学器件144的另一侧的多个光发射器包括第二光发射器模块137b。另 夕卜，强度调制元件138包括两个强度调制区138a和138b，各个强度调制区定位在向前观察 光学器件144的每一侧。来自第一光发射器模块137a的光经由路径170a而通过强度调制 区138a，该光形成第一投影集，并且，来自第二发射模块137b的光经由路径170b而通过强 度调制区138b，该光形成第二投影集。强度调制元件138包括线光栅190,该线光栅190变 更光的分布，并且，在创建与相移分析兼容的表面上结构光图案。
[0052] 图像传感器(未示出)获得第一图像集和第二图像集。第一图像集包括第一投影集 的多个条纹集的至少一个的至表面上的投影的至少一个图像，并且，第二图像集包括第二 投影集的多个条纹集的至少一个的至表面上的投影的至少一个图像。
[0053] 与第一强度调制区138a相关联的第一光发射器模块137a定位在观察光学器件 144的一侧，并且，与第二强度调制区138b相关联的第二光发射器模块137b定位在观察光 学器件144的另一侧，使得从表面反射的至少一个结构光图案通过观察光学器件144,以到 达图像传感器(未示出）。
[0054] 两个光发射器模块137a、137b各自包括细长LED阵列180,该细长LED阵列180相 应地包括至少三个光发射器。备选地，两个光发射器模块137a、137b可以各自包括多个光 发射器，多个光发射器的每个包括一系列至少两个LED。将光从检查光源123 (图1)递送 至表面的光传递元件(未示出)还可以被包括在远端端头142中。位于远端端头142上的可 选线路150可以控制LED的排序、在单个LED与多个LED之间选择、感测温度并存储/检索 校准数据。可选线路150能够由图1中所示出的CPU 56或微控制器30管理。
[0055] 在探测器或系统100中，第一投影集包括多个条纹集，并且，第二投影集包括多个 条纹集。多个光发射器定位，以致从第一光发射器模块的一个光发射器组投影的第一投影 集的一个条纹集的结构光图案表现出相对于从第一光发射器模块的其他光发射器组投影 的第一投影集的其他条纹集的结构光图案的相移。类似地，从第二光发射器模块的一个光 发射器组投影的第二投影集的一个条纹集的结构光图案表现出相对于从第二光发射器模 块的其他光发射器组投影的第二投影集的其他条纹集的结构光图案的相移。
[0056] 多个光发射器定位，以致第一投影集的一个条纹集的结构光图案表现出相对于第 一投影集的其他条纹集的结构光图案的空间或相移。类似地，第二投影集的一个条纹集的 结构光图案表现出相对于第二投影集的其他条纹集的结构光图案的空间或相移。
[0057] 在一个实施例中，第一光发射器模块包括三个光发射器组，并且，第二光发射器模 块包括三个光发射器组。因此，从观察光学器件144的一侧产生包括第一投影集的三个条 纹集，并且，从观察光学器件144的另一侧产生包括第二投影集的三个条纹集。因此，探测 器或系统100能够投影总共六个条纹集，从F0V的每一侧投影三个条纹集。为了改进亮度 和对比度，除了如在上文中详细地描述的亮度确定功能以外，光发射器模块137a和137b还 可以包括多于三个LED。此外，光发射器模块137a和137b的多个光发射器可以各自包括一 系列至少两个LED。
[0058] 采用结构光投影和相移分析的系统的准确度在很大程度上由其基线间隔确定。在 与F0V中的条纹集的位置组合的条纹集的绝对相位用于确定绝对对象距离的典型的系统 的情况下，基线间隔是投影原点与摄像机视场原点之间的距离。在两个分离的条纹集的绝 对相位之间的差用于确定绝对对象距离的本实施例中，基线间隔是光发射器模块137a和 137b之间的距离。从而，在两个光发射器模块137a与137b之间的距离大于观察光学器件 144与单个光发射器模块137之间的距离时，改进准确度。由于小直径探测器中的机械约束 导致难以大体上使观察光学器件144从插入管140的中心偏移，因而所描述的采用两个光 发射器模块137a和137b的实施例通常能够达到比能够利用向前观察系统中的单个光发射 器模块137来达到的基线间隔更大的基线间隔。
[0059] 另外，远端端头142在插入管上的定位的可变性引起起源于端头的投影相对于 F0V而偏移。如果使用与F0V中的位置组合的绝对相位来计算对象距离，则该偏移引起所计 算的对象距离的误差。在本实施例中，这样的误差被消除，因为绝对相位差不受端头在插入 管上的定位影响。在备选的方式中，两个LED阵列还可以位于具有大光栅的观察光学器件 的一侧，其中，第一投影集以稍微地多于第二投影集的距离从观察光学器件偏移。
[0060] 在一些应用中，希望获得沿垂直于探测器轴的方向的视图，该视图被称为侧面图。 为了获得这样的视图，可以用可拆卸侧视端头242 (图8和9)来代替远端端头142,该可拆 卸侧视端头242包括诸如侧视棱镜210的元件，从表面反射的多个条纹集穿过该侧视棱镜 210而通过观察光学器件244,以到达图像传感器(未示出）。
[0061] 图3是说明测试远程可视检查（RVI)系统的测量准确度的示范性的方式的流程 图。简单地说，测试对象放置在RVI系统的视场中。测试对象包括具有已知的几何特性的 测试特征，例如基准点。捕获测试对象的图像，并且，测量测试特征的几何特性。将所测量 的坐标与已知的几何特性相比较，以确定RVI系统的准确度值。能够使用控制器来自动地 执行该方法的步骤。处理以步骤310开始。
[0062] 在步骤310中，检测可拆卸测量光学端头到远程可视检查系统的探测器的附接。 探测器能够是例如直视或侧视端头。在各种实施例中，控制器接收对可拆卸测量光学端头 的附接的中断。控制器还能够周期性地测量导体的电状态，以检测可拆卸测量光学端头的 附接。控制器能够通过对电平触发信号或边缘触发信号监视或查询而检测附接。在检测到 可拆卸测量光学端头的附接之后，步骤310随后是步骤320。在各种实施例中，探测器包括 图像传感器（C⑶或CMOS)。在其他实施例中，可拆卸测量光学端头包括图像传感器。
[0063] 在各种实施例中，检测步骤310包括在附接可拆卸测量光学端头时检测测试电路 的电阻的改变。例如，能够将测试电压施加至检测电路，并且，能够测量检测电路中的测试 点的电压。配置检测电路，以便测试点的电压在附接可拆卸测量光学端头时不同于在未附 接可拆卸测量光学端头时。在示例中，在未附接光学端头时，通过电阻器而将测试点上拉至 例如+3. 3VDC，但在附接光学端头时，电阻器使测试点短路以接地。
[0064] 在各种实施例中，检测步骤310包括识别步骤315。在步骤315中，确定所附接的 测量光学端头的识别。测量光学端头能够将识别信息经由电线或无线地传输至控制器，或 者，控制器能够分析端头与探测器之间的接口处的电阻值或其他电性质。识别信息能够用 于选择与所附接的测量光学端头相关联的测量校准数据。
[0065] 在步骤320中，经由用户提示装置(例如，计算机监视器122,图1)而提示用户执行 远程可视检查系统的测量准确度的测试。例如，能够在屏幕上显示"按压0K以测试"的消 息。提示步骤320能够包括等待来自用户输入装置的测试开始指示，例如，相对于用户提示 装置而可操作地布置的触摸传感器上的触摸。触摸传感器和用户提示装置能够一起组成触 摸屏。用户输入装置还能够是例如键盘、操纵杆、鼠标、轨迹球或者RVI系统底盘或手机上 的按钮。
[0066] 在一些实施例中，步骤320包括引导步骤325。在引导步骤325中，在屏幕上呈现 来自探测器中的图像传感器的运动图像。这能够是来自图像传感器的现场直播视频馈送或 来自图像传感器的相继地呈现的静态捕获（例如，每秒一次）。另外，不论是否同时地进行， 都在屏幕上呈现来自相对于测试特征的期望的取向上的图像传感器的图像的可视表示。期 望的取向能够包括期望的相对位置（图像传感器自测试特征起的平移位移)、相对旋转或两 者。可视表示能够是例如在图像传感器处于相对于测试特征的期望的取向时捕获的图像或 图像的略图。可视表示能够存储在RVI系统，例如数据存储系统1140(图4)的非易失存储 器中。
[0067] 在使用步骤315的一些实施例中，引导步骤325包括使用所确定的识别来选择可 视表示。在示例中，参考图10,测试对象是试块1010,该试块1010具有测试特征1020和两 个端口 1011U077 :携带直视端头的探测器所插入的端口 1011和携带侧视端头的探测器所 插入的端口 1077。点线针对取向而示出。线1012示出测试特征1020上的向下看时的携 带直视端头的探测器的取向的示例(术语"向下"不是限制性的)。如能够看出的，端口 1077 中的侧视端头仅能够从测试特征1020的平面上的取向的有限范围(旋转角Θ接近〇° ;能 够基于测试目标120的尺寸和侧视端头的视场而选择多近）观察测试特征1020。然而，端 口 1011中的直视端头能够自由地转向，以从任何Θ观察测试特征1020。由于所使用的特 定的端头的特性而导致可能可对直视端头期望以角Θ尹0°观察测试特征1020。此外，一 些侧视端头垂直地或水平地翻转图像。因此，引导用户将携带直视端头的探测器转向至正 确的Θ的可视表示不同于引导用户将携带侧视端头的探测器转向至正确的角φ的可视表 示（围绕垂直于Θ轴的轴的旋转；在该示例中，对于侧视端头，θ=〇° )。
[0068] 在提示用户（步骤320)之后，在步骤330中，捕获测试对象上的测试特征的一个或 更多图像。这使用图像传感器来进行，该图像传感器以适合于所附接的测量光学端头的方 式捕获图像数据。例如，对于立体、阴影或激光点端头，能够捕获单个图像。对于相位测量， 能够捕获多个图像。步骤330随后是步骤340。
[0069] 在各种实施例中，例如，如在下文中参考图5-7而讨论的，可拆卸测量光学端头是 具有LED和光栅的结构光测量光学端头。关于其他实施例，可拆卸测量光学端头是立体光 学端头或阴影光学端头。阴影端头能够包括例如狭缝孔径，光穿过该狭缝孔径而照过平行 于孔径地取向的不透明线。在使用结构光的实施例中，可拆卸测量光学端头能够包括多个 发光二极管（LED)。在控制器启动任何LED时，端头将结构光图案投影至图像传感器的视场 中的对象上。立体端头能够包括将来自两个不同的观察角的光穿过透镜而导向至图像传感 器的分束器，例如棱镜。因此，所捕获的图像包括并排的两个单独的捕获，从每个观察角得 到一个捕获。在属于Bendall等人的美国专利No. 7, 170, 677中描述了立体端头的更多的 示例，将这些示例通过引用而合并于本文中。在属于Lia的美国专利No. 4980763中给出阴 影端头的更多的示例，将这些示例通过引用而合并于本文中。
[0070] 在各种实施例中，步骤330 (或步骤340)包括分析至少一个所捕获的图像以确定 测试特征相对于图像传感器的取向。例如，光学公差和机械公差以及用户将端头相对于测 试特征而定位的方式的变化可能导致每次执行测试序列（从步骤310开始)，测试特征都位 于所捕获的图像帧中的不同的位置。通过识别图像中的已知的特征(例如，取向标记，诸如 字母"F"）并确定那些特征相对于图像传感器而如何取向，从而能够对所捕获的图像本身进 行分析。这能够准许确定使用直视还是侧视端头。（在上文的示例中，比所准许的范围更远 离〇的Θ指示直视端头在使用中）。还能够准许以与所选择的参考角不同的角使用所捕获 的图像。这是有用的，因为在捕获图像之前，用户可能并不总是将端头精确地以期望的角取 向。在对所捕获的图像进行修改或另外处理时，随后的步骤将经修改或处理的图像用作所 捕获的图像。
[0071] 在步骤340中，使用所捕获的图像的至少一些来确定测试特征的坐标。这能够使 用特征提取技术来进行，诸如阈值化、高通滤波或其他的边缘检测方案、区域提取、图像数 据膨胀或侵蚀或者颜色提取。能够在处于考虑之中的(多个)所捕获的图像中寻找测试特征 的已知的颜色或已知的几何特性。能够确定坐标的>1的任何数。所确定的坐标能够是二 维（2-D)或三维（3-D)坐标。坐标能够以笛卡尔、极、球、圆柱或齐次形式表达。能够通过 例如将图像数据反投影映射至物体平面而确定2-D坐标。能够使用现有技术来确定3-D坐 标，诸如立体、扫描系统、立体三角测量、诸如相移分析、相移叠纹以及激光点投影的结构光 方法。这些技术中的一些使用校准数据，除了别的之外，该校准数据还包括用于减少会另外 由光学畸变引起的三维坐标的错误的光学特性数据。利用一些技术，可以使用时间非常接 近地捕获的一个或更多图像来确定三维坐标，该图像可以包括投影图案等。步骤340随后 是步骤350。
[0072] 在一些实施例中，步骤350前面是步骤319。在步骤319中，由控制器自动地检索 与所附接的测量光学端头相对应的校准数据。校准数据能够包括使对象的图像的尺寸与那 些对象的尺寸有关的信息、使图像坐标系与对象坐标系有关的信息或使亮度与距离有关的 信息。校准数据还能够包括关于端头的信息，诸如结构光测量端头上的光栅的尺寸。校准 数据能够包括使放大率与距离有关的信息或关于光学畸变、结构光投影几何或立体透视几 何的信息。
[0073] 在步骤350中，使用测试特征的所确定的坐标来测量测试特征的几何特性。在示 例中，测试特征包括两个基准点，并且，几何特性是它们之间的距离。能够通过使图像空间 中的测试特征的所确定的坐标变换成物理尺寸(例如，mm)来测量该距离。然后，能够计算 物理坐标之间的欧几里得距离，以确定距离。在使用步骤319的实施例中，使用所检索的校 准数据来执行测量步骤。步骤350随后是步骤359或步骤360。
[0074] 所测量的几何特性能够是测试特征的长度、宽度、高度、深度或半径。所测量的几 何特性还能够是测试特征与平坦的平面或其他的参考表面的偏差。测试特征能够包括平坦 的表面、球面或其他的凸起的三维（3-D)表面、或狭槽、圆形槽或者其他凹入的3-D表面。
[0075] 在各种实施例中，所确定的坐标是三维（3-D)坐标。已知的几何特性包括多个参 考点的3-D坐标，并且，所测量的几何特性包括所确定的坐标与参考点的至少一些之间的 距离度量。在各种实施例中，步骤350包括测量测试特征上的多个点的3-D对象坐标。然 后，将3-D对象坐标经由坐标变换而变换成参考点的坐标系。例如，结构光、立体以及阴影 测量光学端头能够用于捕获控制器能够后处理成三维数据的图像。能够以关于探测器的帧 从这些数据提取3-D对象坐标。然后，能够将它们变换成关于参考点，例如关于测试特征的 帧。
[0076] 在各种实施例中，距离度量是所确定的坐标的至少一些与参考 点的对应的一些之间的相应的距离的均方值（RMS)、平方和、平方平均值 或平均数。在示例中，假设第i个所确定的坐标（ Xi，yi，Zi)表示为矢量

【权利要求】
1. 一种测试远程可视检查系统的测量准确度的方法，所述测试使用包括具有已知的几 何特性的测试特征的测试对象，所述方法包括使用控制器来自动地执行以下的步骤： 检测可拆卸测量光学端头到所述远程可视检查系统的探测器的附接； 在检测到所述可拆卸测量光学端头的附接之后，经由用户提示装置而提示用户执行所 述远程可视检查系统的所述测量准确度的测试； 捕获所述测试对象上的所述测试特征的一个或更多图像； 使用所述捕获的图像的至少一些来确定所述测试特征的坐标； 使用所述测试特征的所述确定的坐标来确定所述测试特征的所测量的几何特性； 使用所述测量的几何特性和所述已知的几何特性来确定准确度结果；以及 提供所述确定的准确度结果的指示。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述确定准确度结果步骤包括作为所述测试特征 的所述测量的几何特性与所述已知的几何特性之间的差而计算所述准确度结果。
3. 如权利要求1所述的方法，其中，所述确定准确度结果步骤包括： 基于所述测试特征的所述测量的几何特性与所述已知的几何特性之间的差而确定准 确度值； 将所述准确度值与预定的容许准确度值相比较；以及 提供所述比较的结果作为所述准确度结果。
4. 如权利要求1所述的方法，其中，所述检测步骤包括将测试电压施加至检测电路并 测量所述检测电路中的测试点的电压，其中，配置所述检测电路使得所述测试点的所述电 压在附接所述可拆卸测量光学端头时与在未附接所述可拆卸测量光学端头时不同。
5. 如权利要求1所述的方法，其中，所述探测器包括图像传感器，并且所述可拆卸测量 光学端头是结构光测量光学端头、立体光学端头或阴影光学端头。
6. 如权利要求5所述的方法，其中，所述可拆卸测量光学端头包括多个发光二极管 (LED)，并且适合于在所述控制器启动所述LED的任何一个时，将结构光图案投影至所述图 像传感器的视场中的对象上。
7. 如权利要求1所述的方法，其中，所述提示步骤包括等待来自用户输入装置的测试 开始指示。
8. 如权利要求1所述的方法，其中，所述用户提示装置是屏幕。
9. 如权利要求8所述的方法，其中，所述提示步骤包括： 在所述屏幕上呈现来自所述探测器中的图像传感器的运动图像；以及 在所述屏幕上以相对于所述测试特征的期望的取向呈现来自图像传感器的图像的可 视表示。
10. 如权利要求9所述的方法，还包括确定所述附接的测量光学端头的识别并使用所 述确定的识别来选择所述可视表示。
【文档编号】G01M11/00GK104155081SQ201410201494
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年5月13日 优先权日:2013年5月13日
【发明者】C.A.本达尔, J.L.斯科特 申请人:通用电气公司