三维坐标扫描器和操作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本文中所公开的主题涉及三维坐标扫描器，尤其涉及具有数据获取的多个模态的三角测量型扫描器。
[0002]物体或环境的三维坐标的获取是已知的。例如，可以使用诸如飞行时间法或三角测量法的各种技术。诸如激光跟踪器、全站仪或飞行时间扫描器的飞行时间系统可以使诸如激光束的光束导向后向反射器目标或物体的表面上的斑点。使用绝对测距仪来基于光行进至目标或斑点并返回所需的时间长度来确定到目标或斑点的距离。通过使激光束或目标移动经过物体的表面，可以确定物体的坐标。飞行时间系统的优点在于具有相对高的精度，但在一些情况下，由于飞行时间系统通常必须单独测量表面上的每个点，因此飞行时间系统相比于一些其它系统可能较慢。
[0003]相比之下，使用三角测量法来测量三维坐标的扫描器将呈线状的光(例如，来自激光线探测器的激光线)的图案投射到表面上或者将覆盖区域的光(例如，结构光)的图案投射到表面上。例如通过将摄像装置和投影仪附接至共用框架，该摄像装置以固定关系耦接至投影仪。从投影仪发出的光被表面反射并且被摄像装置检测到。由于摄像装置和投影仪以固定关系布置，因此可以使用三角原理来确定到物体的距离。与使用触觉探测器(tactile probe)的坐标测量装置相比，三角测量系统在大的区域内快速获取坐标数据方面提供了优点。如本文中所使用的，将由此得到的由三角测量系统提供的三维坐标值的集合称为点云数据或简称为点云。
[0004]当使用激光扫描器时，许多问题可能会干扰高精度点云数据的获取。这些问题例如包括但不限于:作为物体表面的反射率的变化或相对于投射光的表面的入射角度的变化的结果而在摄像装置图像平面内所接收到的光的水平的变化；诸如孔的边缘的边缘附近的低分辨率；以及多路径干扰。在一些情况下，操作员可能并没有察觉到问题或不能消除问题。在这些情况下，结果是点云数据缺失或出错。
[0005]因此，尽管现有的扫描器适合这些扫描器的预期目的，但特别是在提供可以适应于不期望条件并提供改进的数据点获取的扫描器方面，仍存在对于改进的需要。
【发明内容】
[0006]根据本发明的一个方面，提供一种非接触式光学三维测量装置。该非接触式光学三维测量装置包括:组件，其包括投影仪、第一摄像装置和第二摄像装置，其中，投影仪、第一摄像装置和第二摄像装置相对于彼此固定，在投影仪与第一摄像装置之间存在第一距离以及在投影仪与第二摄像装置之间存在第二距离，该投影仪具有光源，该投影仪被配置为将具有多个空间变化图案中的任一个的第一光发射到物体的表面上，第一摄像装置具有第一透镜和第一光敏阵列，第一摄像装置被配置为接收从该表面反射的第一光的第一部分并且作为响应而产生第一数字信号，第一摄像装置具有第一视场，该第一视场为第一摄像装置的第一角度观看区域，第二摄像装置具有第二透镜和第二光敏阵列，第二摄像装置被配置为接收从该表面反射的第一光的第二部分并且作为响应而产生第二数字信号，第二摄像装置具有第二视场，该第二视场为第二摄像装置的第二角度观看区域，第二视场不同于第一视场；以及处理器，其电耦合至投影仪、第一摄像装置和第二摄像装置；以及计算机可读介质，其在由处理器运行时使得在第一时间收集第一数字信号并且在与第一时间不同的第二时间收集第二数字信号，并且至少部分地基于第一数字信号和第一距离来确定该表面上的第一点的三维坐标并至少部分地基于第二数字信号和第二距离来确定该表面上的第二点的三维坐标。
[0007]根据本发明的一个方面，提供一种用于确定物体的表面上的三维坐标的方法。该方法包括:提供包括投影仪、第一摄像装置和第二摄像装置的组件，其中，投影仪、第一摄像装置和第二摄像装置相对于彼此固定，在投影仪与第一摄像装置之间存在第一距离以及在投影仪与第二摄像装置之间存在第二距离，该投影仪具有光源，该投影仪被配置为将具有多个空间变化图案中的任一个的第一光发射到该表面上，第一摄像装置具有第一透镜和第一光敏阵列，第一摄像装置被配置为接收从该表面反射的第一光的第一部分，第一摄像装置具有第一视场，该第一视场为第一摄像装置的第一角度观看区域，第二摄像装置具有第二透镜和第二光敏阵列，第二摄像装置被配置为接收从该表面反射的第一光的第二部分，第二摄像装置具有第二视场，该第二视场为第二摄像装置的第二角度观看区域，第二视场不同于第一视场；提供电耦合至投影仪、第一摄像装置和第二摄像装置的处理器；在第一实例中，将具有从所述多个空间变化图案当中选择的第一图案的第一光从投影仪发射到该表面上；在该第一实例中，利用第一摄像装置获取该表面的第一图像，并且作为响应而将第一数字信号发送至处理器；确定该表面上的第一点的三维坐标的第一集合，其中该第一集合至少部分地基于第一图案、第一数字信号和第一距离；执行评价第一集合的质量的诊断过程；在确定从多个空间变化图案当中选择的第一光的第二图案，该第二图案至少部分地基于诊断过程的结果；在第二实例中，将具有第二图案的第二光从投影仪发射到该表面上；在第二实例中，利用第二摄像装置获取该表面的第二图像，并且作为响应而将第二信号发送至处理器；以及确定该表面上的第二点的三维坐标的第二集合，其中该第二集合至少部分地基于第二图案、第二数字信号和第二距离。
[0008]根据以下结合附图所进行的描述，这些和其它优点和特征将变得更加明显。
【附图说明】
[0009]在本说明书的结尾，在权利要求书中特别指出并且明确要求保护被视为本发明的主题。根据以下结合附图所进行的详细描述，本发明的前述以及其它特征和优点显而易见，在附图中:
[0010]图1是根据本发明的实施例的扫描器的示意顶视图；
[0011]图2是示出操作图1的扫描器的方法的流程图；
[0012]图3是根据本发明的另一实施例的扫描器的示意顶视图；
[0013]图4是示出操作图3的扫描器的方法的流程图；
[0014]图5A是根据实施例的激光扫描器内的元件的示意图；
[0015]图5B是示出根据实施例的操作扫描器的方法的流程图；
[0016]图6是根据本发明的另一实施例的扫描器的示意顶视图；
[0017]图7是示出根据实施例的操作扫描器的方法的流程图；
[0018]图8A和SB是根据本发明的实施例的与远程探测器装置结合使用的扫描器的立体图；
[0019]图9是示出操作图5的扫描器的方法的流程图；
[0020]图10是根据实施例的扫描器的示意顶视图；
[0021]图11是示出操作图10的扫描器的方法的流程图；以及
[0022]图12是示出根据实施例的诊断方法的流程图。
[0023]【具体实施方式】部分例如参照附图来说明本发明的实施例以及优点和特征。
【具体实施方式】
[0024]本发明的实施例提供了提高扫描器获取的数据点云的三维坐标的可靠性和精度的优点。本发明的实施例在所获取的数据中检测异常并且自动调整扫描器的操作以获取期望结果方面提供了优点。本发明的实施例在所获取的数据中检测异常并且向需要附加数据获取的区域的操作员提供指示方面提供了优点。本发明的更进一步实施例在所获取的数据中检测异常并且向可以利用远程探测器来获取附加数据获取的操作员提供指示方面提供了优点。
[0025]扫描器装置获取物体的三维坐标数据。在一个实施例中，图1所示的扫描器20具有包括第一摄像装置24、第二摄像装置26和投影仪28的壳体22。投影仪28将光30发射到物体34的表面32上。在示例性实施例中，投影仪28使用对图案发生器进行照明的可见光源。可见光源例如可以是激光器、超发光二极管、白炽灯、氙气灯、发光二极管(LED)或其它发光装置。在一个实施例中，图案发生器是其上蚀刻有结构光图案的玻璃上铬滑动件(chrome-on-glass slide)。该滑动件可以具有单一图案或者根据需要移入和移出适当位置的多个图案。可以手动或自动将滑动件安装在操作位置。在其它实施例中，源图案可以是被数字微镜装置(DMD)(诸如，Texas Instruments公司制造的数字光投影仪(DLP)、液晶装置(LCD)、硅上液晶(LCOS)装置或在透射模式而不是反射模式下使用的相似装置)反射或透射的光。投影仪28还可以包括改变出射光以覆盖期望区域的透镜系统36。
[0026]在本实施例中，投影仪28可配置为将结构光发出到区域37上。如本文中所使用的，术语“结构光”是指传送可用于确定物体上的点的坐标的信息的、投射到物体的区域上的光的二维图案。在一个实施例中，结构光图案将包含设置在该区域内的至少三个非共线图案元素。这三个非共线图案元素中的每一个均传送可用于确定点坐标的信息。在另一实施例中，设置可配置为投射区域图案和线图案这两者的投影仪。在一个实施例中，投影仪是被配置为在这两者之间来回切换的数字微镜装置(DMD)。在一个实施例中，DMD投影仪还可以以光栅图案扫过线或扫过点。
[0027]通常，存在编码光图案和非编码光图案这两种类型的结构光图案。如本文中所使用的，编码光图案是物体的被照射表面的三维坐标是通过获取单个图像来得到的图案。利用编码光图案，可以在投影装置相对于物体正移动的情况下获得并登记点云数据。一种类型的编码光图案包含排列成线的一组元素(例如，几何形状)，其中这些元素中的至少三个元素是非共线的。这样的图案元素由于它们的排列而是可识别的。
[0028]相比之下，如本文中使用的非编码结构光图案是不允许通过单一图案进行测量的图案。一系列非编码光图案可以顺序地被投射并成像。对于该情况，通常需要保持投影仪相对于物体固定。
[0029]应当理解，扫描器20可以使用编码的或非编码的结构光图案。结构光图案可以包括 Jason Geng 在 Proceedings of SPIE, Vol.7932 中所发表的期刊文章 “DLP-BasedStructured Light 3D Imaging Technologies and Applicat1ns”中所公开的图案。另外，在本文中下述的一些实施例中，投影仪28发送成形为扫过的光线或扫过的光点的图案。扫过的光线和扫过的光点在光的区域上在识别诸如多路径干扰的一些类型的异常方面提供了优点。在扫描器保持静止的情况下自动扫过线在提供表面点的更均匀采样方面也具有优点。
[0030]第一摄像装置24包括光敏传感器44，该光敏传感器44生成该传感器的视场内的区域48的数字图像/表示。该传感器可以是例如具有像素阵列的电荷耦合器件(CCD)型传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)型传感器。第一摄像装置24例如还可以包括诸