用于提高尺寸标注系统测量准确性的方法
【专利说明】用于提高尺寸标注系统测量准确性的方法
相关申请的交叉引用
[0001 ] 本申请要求针对System and Methods for Dimens1ning的美国专利申请序列号62/062,175(2014年10月10日提交)的权益，该申请全部内容通过弓I用合并于此。
技术领域
[0002]本发明涉及用于确定物体的物理尺寸的系统(S卩，尺寸标注系统)，并且，更特别地，涉及用于创建误差模型并使用误差模型来提高尺寸标注系统测量准确性的方法。
【背景技术】
[0003]作为物流过程(例如，运输、贮存等)的部分，确定物品的尺寸通常是必要的。然而，以物理方式测量物体是耗时的且可能不会得到准确的测量值。例如，除了人为的误差，当测量不规则形状的物体或者在单个测量中组合了多个物体的时候，有可能产生测量误差。因此，开发了非接触尺寸标注系统，以使该测量自动化或协助该测量。这些尺寸标注系统在三维(3D)中感测物体的形状/大小，并且然后使用该3D数据来计算物体尺寸(例如，长度、宽度、高度等)的估计值。
[0004]准确的尺寸标注是非常有价值的。例如，当尺寸标注用于商业交易(例如，确定运输成本)的时候，管理认证通常要求非常准确的测量值。遗憾的是，由尺寸标注系统估计的尺寸中存在误差。降低这些误差的一种方式是:(i)限制被测量物体的大小/形状；以及(ii)在测量设置上进行严格的要求。但是，这些约束会限制尺寸标注系统的灵活性以及可以进行测量的速度。因此，存在对降低与从尺寸标注系统返回的估计尺寸相关联的误差的方法的需要。
【发明内容】
[0005]因此，在一方面中，本发明包含一种用于从尺寸标注系统测量去除误差的方法。首先，提供一种尺寸标注系统来执行在环境中物体的尺寸标注系统测量。该尺寸标注系统测量产生对应于物体/环境的三维(3D)数据。接下来，选择要被估计的特定尺寸。然后，使用3D数据，创建该特定尺寸的中间估计值。此外，获得关于尺寸标注系统测量的各方面的预测器变量值。为了从中间估计值去除误差，该方法首先估计误差并且然后去除所述误差。
[0006]为创建特定尺寸的误差估计值，该方法从误差模型库检索出特定尺寸的误差模型，该误差模型把一个或多个预测器变量与估计误差相关联。然后，使用误差模型以及所获得的针对一个或多个预测器变量的值来计算特定尺寸的误差估计值。
[0007]为了从尺寸标注系统测量去除误差，该方法从特定尺寸的中间估计值减去该误差估计值，以获得该特定尺寸的最终估计值。
[0008]在该方法的一个示例性实施例中，所述预测器变量包括描述了尺寸标注系统的固有属性的变量，例如尺寸标注系统的采集参数。
[0009]在该方法的另一示例性实施例中，所述预测器变量包括描述了物体固有属性的变量，例如物体的大小、形状、和/或外观。
[0010]在该方法的另一示例性实施例中，所述预测器变量包括描述了环境固有属性的变量，例如环境的亮度水平。
[0011]在该方法的另一示例性实施例中，所述预测器变量包括描述了尺寸标注系统测量的外在方面的变量，例如:(i)尺寸标注系统与物体，(ii)尺寸标注系统与环境，和/或(iii)物体与环境之间的物理关系。
[0012]在该方法的另一示例性实施例中，所述误差模型包括把误差估计值与一个或多个预测器变量相关联的线性方程。
[0013]在该方法的另一示例性实施例中，所述误差模型包括把误差估计值与一个或多个预测器变量相关联的非线性方程。
[0014]在该方法的另一示例性实施例中，(i)3D数据包括最小体积包围盒(MVBB)，以及
(ii)所述特定尺寸是MVBB的长度、宽度、或高度。
[0015]在该方法的另一示例性实施例中，(i)3D数据包括具有长度、宽度、和高度的最小体积包围盒(MVBB)，以及(ii)该方法估计及去除针对MVBB的每个特定尺寸(S卩，长度、宽度以及高度)的误差。
[0016]在该方法的另一示例性实施例中，所述误差模型库包括误差模型的各类别;其中，每个类别对应于:(i)特定的操作环境，和/或(ii)对应于物体的特征集。这种情形下，从库中检索误差模型的该方法的步骤包括:从库中选择一类误差模型，以及从所选择的一类误差模型中检索特定尺寸的误差模型。
[0017]在另一方面中，本发明包括用于创建所测量特征的误差模型的方法。首先，提供尺寸标注系统以及具有带有已知大小的特征的校准物体。接下来，使用尺寸标注系统收集所述特征的测量值。然后，通过将每个测量值与已知大小进行比较，来计算测量值的误差(即，测量的误差)。此外，对描述了测量的各方面的预测器变量进行定义，以及推导出把预测器变量与测量值的估计误差相关联的数学模型。该数学模型包括预测器变量以及预测器系数，其中，每个预测器变量对应于特定的预测器系数。接下来，通过调整预测器系数，数学模型被拟合到所测量误差。然后，对数学模型进行细化以创建所测量特征的误差模型。
[0018]在该方法的一个示例性实施例中，对所述误差模型进行存储以供未来使用。
[0019]在该方法的另一示例性实施例中，所述数学模型是预测器变量与预测器系数的线性组合，或者是使用预测器变量的非线性方程。
[0020]在该方法的另一示例性实施例中，所述预测器变量描述了测量值的各方面，包括尺寸标注系统、物体和/或环境的固有属性。
[0021]在该方法的另一示例性实施例中，所述预测器变量描述了测量值的各方面，包括:(i)尺寸标注系统与物体，(ii)尺寸标注系统与环境，和/或(iii)物体与环境之间的物理关系O
[0022]在该方法的另一示例性实施例中，细化数学模型包括:去除不显著的预测器变量以及其对应的预测器系数。
[0023]在该方法的另一示例性实施例中，将数学模型拟合到误差包括线性回归。
[0024]在该方法的另一示例性实施例中，细化所述数学模型包括:(i)通过将估计的误差与误差比较来获得残差；(ii)创建所述残差的直方图；以及(iii)基于该直方图的正态性，放弃或接受该数学模型。
[0025]在另一示例性实施例中，所述特征是物体的长度、宽度或高度。
[0026]前述说明性的
【发明内容】
与本发明其它示例性的目的和/或优点，以及实现其的方法在下面的详细描述及其附图中被进一步解释。
【附图说明】
[0027]图1示意性描绘了根据本发明实施例的示例性尺寸标注系统。
[0028]图2以图形方式图示了根据本发明实施例的使用空间偏移图案投影仪和距离摄像机(range camera)感测三个维度的原理。
[0029]图3以图形方式图示了根据本发明实施例的用于尺寸标注系统测量的示例性预测器变量。
[0030]图4以图形方式描绘了一流程图，该流程图图示根据本发明实施例的用于创建针对由尺寸标注系统测量的特征的误差模型的方法。
[0031]图5以图形方式描绘了一流程图，该流程图图示了根据本发明实施例的用于从尺寸标注系统测量中去除误差的方法。
[0032]图6以图形方式描绘了根据本发明实施例的从误差模型库对误差模型的检索。
【具体实施方式】
[0033]本发明包含通过使用用于估计误差的数学模型(S卩，误差模型)来提高尺寸标注系统测量的准确性。创建该误差模型，并且然后该误差模型被用于创建与特定尺寸/测量值关联的误差估计值。然后，该误差估计值可以从尺寸标注系统的估计值中去除，以便提高测量的准确性。使用误差模型来校正尺寸标注中测量误差的一些优势有:(i)提高的测量准确性，(ii)提高的测量精确度(即，可再现性)，(iii)增加的灵活性(例如，测量更多样的物体)，以及(iv)更容易/更快速的测量采集(如，设置)。
[0034]通常，尺寸标注系统感测物体来收集对应于该物体形状/大小的3D数据，并且然后使用该3D数据来计算该物体的尺寸。一些情况下，3D数据用于创建最小包围盒(MVBB)，最小包围盒是包围该物体(如，不规则形状的物体)或物体集合(如，托板上的多个盒体)的盒体的计算机模型。在这些情况中，尺寸标注系统可返回该MVBB的尺寸。
[0035]可使用各种技术来有效地感测物体(如，结构化的光、超声、X射线等)以及创建3D数据(如，渡越时间、三角测量等)。所有的这些技术都在本发明的范围内；然而，将描述与该公开的方法相关的一个示例性实施例(即，结构化光图案的三角测量)。
[0036]示例性的尺寸标注系统通过把一光图案(S卩，图案)投射到视场中来感测物体。在视场中的物体会使得被反射的光图案的外观畸变。尺寸标注系统捕获该反射的光图案的图像，并且分析捕获的图像中的图案畸变，以计算估计物体尺寸所必需的3D数据。
[0037]图1中示出了尺寸标注系统的方框图。该尺寸标注系统10包括图案投影仪I，其配置为把一光(如，红外光)图案投射到视场2中。所述光图案通常包括以一种图案(S卩，点云)布置的光点。该光点可以:(i)具有相同或不同的大小，以及(ii)可按照某一次序或伪随机地布置。图案投影仪可以使用光源(如，激光、LED等)、图案产生器(如，蒙片(mask)、衍射光学元件等)以及一个或多个透镜来创建光图案。
[0038]尺寸标注系统10还包括距离摄像机3，其配置为捕获所投射的光图案的图像，该光图案从距离摄像机的视场4被反射。距离摄像机的视场4以及图案投影仪的视场2应当重叠，但可以不一定具有相同的形状/大小。距离摄像机3包括一个或多个透镜，用于把视场4的真实图像形成到图像传感器上。也可以使用光滤波(如，红外滤波器)，通过去除杂散光和/或背景光来帮助对反射图案进行检测。图像传感器(如，CMOS传感器、CCD传感器等)用来创建光图案的数字图像。所述距离摄像机也可包括必要的处理(如，DSP、FPGA、ASIC等)以便从光图案图像获得3D数据。
[0039]如图2中所示，图案投影仪I以及距离摄像机3在空间上偏移(如，以立体观测方式布置)。该空间偏移8(即，基线)允许物体6的距离改变5作为距离摄像机图像传感器上的图像偏移7而被检测到。可以对空间偏移8进行调整以改变图像偏移7，从而改变距离差5可以被检测到的分辨率。以这种方式，点云图案的图像偏移可以被转换成尺寸标注系统的视场内的物体的3D数据。
[0040]准确的尺寸标注需要:(i)该感测获得充足的、高质量的3D数据，以及(ii)该尺寸标注系统的算法能够将3D数据转换为物体尺寸的精确估计值。该准确性可能受到很多不同变量的影响。所述变量(即，预测器变量)可以被分类为两个种类:固有的以及外在的。图3以图形方式图示了根据本发明实施例的用于尺寸标注系统测量的示例性预测器变量。
[0041]固有变量描述与尺寸标注系统测量中的特定元件的必要性质、构成或操作有关的属性。特定元件可以是尺寸标注系统、物体或物体所在的环境(即，环境)。此外，特定元件可包括处于尺寸系统内的子系统，例如，距离摄像机3或者图案投影仪I。
[0042]与物体有关的固有变量可以描述物体的形状或外观。例如，物体可以根据形状(如，盒体、圆柱体等)被分类，并且形状的分类可以是固有变量11。该物体可以具有不平坦(如，弯曲)的侧面，并且该物体的平均曲率可以是固有变量12。其他的物体固有变量包括(但不限于)估计的高度13、估计的长度14、估计的宽度15、平均色(如，红、绿、蓝)以及反射率。
[0043]与尺寸标注系统有关的固有变量可以包括(但不限于)所述基线(S卩，在距离摄像机与图案投影仪之间的空间偏移)。
[0044]与距离摄像机有关的固有变量可以包括(但不限于)焦距(S卩，距离摄像机的透镜的焦距)、透镜畸变、图像的光学中心(即，距离摄像机的光轴与距离摄像机的图像传感器的相交叉处)、物体在图像传感器上的取向、距离摄像机的图像高度/宽度、以及每帧所检测到的图案点的最大数量。
[0045]与图案投影仪有关的固有变量可以包括(但不限于)图案密度、投射的发散角、以及图案类型。
[0046]与环境有关的固有变量可以包括(但不限于)环境光的水平和/或地平面的属性。所述地平面(即，地面)是环境中的表面，在测量期间物体放置于该表面。所述地面通常填充了尺寸标注系统的视场的大部分，并且用作可获得特定尺寸的基线。例如，物体表面到地面的数学投影可帮助确定一个或多个尺寸。所以，与地面有关的固有变量通常被限定并且可以包括(但不限于)地面的反射率以及地面的面积。
[0047]外在变量是影响尺寸标注系统测量的外部因素。例如，外在变量可以描述:(i)尺寸标注系统与物体之间，(ii)尺寸标注系统与环境之间，或者(iii)物体与环境之间的物理关系。外在变量还可以描述物体如何与由尺寸标注系统所投射的图案相交叉。此外，外在变量可描述尺寸标注系统相对于地面16的位置(如，俯仰、滚转、高度)。如图3中所示，其他外在变量包括(但不限于)尺寸标注系统的高度17、物体的重心(S卩，C0G)18、尺寸标注系统与物体之间的最小距离19、以及尺寸标注系统与物体之间的最大距离20。
[0048]可利用尺寸标注系统测量任意形状的物体(如，具有半径或曲率的物体)。尽管这些测量值可以包括弯曲的或不规则的表面的尺寸(如，半径、曲率等)，但典型的测量包括对包围物体的计算机生成的盒体(即，MVBB)的三维(S卩，长度、宽度、高度)进行估计。例如，当测量盒体(如，包裹)时，MVBB的边缘与盒体的边缘重合