专利名称：用于在物体表面上进行非接触坐标测量的方法和勘测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1和13前序部分的用于在物体坐标系统中 在待测物体的物体表面上进行非接触坐标测量的方法和勘测系统。
背景技术：
为了近距离地在物体表面上进行非接触式摄影测绘坐标测量，通过 将图像数据转换到物体坐标系统内而从各角度再现物体的图像获得物体 的尺寸。为了该目的，在数据处理单元中处理图像数据。坐标计算的基 础是确定所涉及图像的照相机取向。
如从现有技术所知的那样，可通过单个照相机在不同时间从不同角 度记录物体表面的那些待勘测区域部分，然后分别通过图像处理系统处 理二维图像数据，以给出所谓的三维图像。分别使深度信息与三维图像 的像素相关联，从而由照相机及其角度确定的图像坐标系统中的3D图像 坐标与待考查的每一个像素、特别是所有像素相关联。现有技术中公开
了用于从由不同角度显示相同景像的多个2维图像产生这样的3维图像 的不同图像处理方法。
如从现有技术同样已知的，还可在多个照相机的辅助下实现基本上 同时的记录，以取代通过一个照相机在不同时刻从不同角度记录区域部 分。这具有这样的优点由于照相机可具有彼此固定的相对取向和距离， 因此无需移动照相机就可进行区域部分三维确定，并且无需确定各照相 机取向。
现有技术公开了不同的3D图像记录装置，所述记录装置基本上包括 两个或三个照相机，所述照相机以具有立体基础(stereoscopic basis)的 方式间隔开一定距离地放置在共用壳体中，用于分别从不同但相对固定 的角度记录景像。由于记录的区域部分不可避免地具有允许图像电子处
理的典型图像特征，因此可对区域部分施加标记。这些标记可通过从3D 图像记录单元投射到区域部分的结构光束，具体为激光光束产生，所述 3D图像记录单元例如投射光学屏幕(screen)或光学标记十字。通常， 这样的3D图像记录单元还包括图像处理装置，其从基本上同时记录的多 个来自不同角度的图像获得三维图像。
这样的3D图像记录单元为例如"CogniTens"的图像记录系统(其商 品名称为"Optigo"和"OptiCell"，并且包括三个以等边三角形布置的照相 机)和"ActiCM"的"Advent"系统(其具有两个并排布置的高分辨率CCD 照相机和用于将结构光投射到待记录部分上的投影仪)。
记录的待测图像元素坐标的确定通常通过图像中的参照标记确定， 从所述参照标记进行实际的3D坐标测量。这里，与记录的三维图像相关 并且因此基于3D图像记录单元的图像坐标系被变换到待测物体存在于 其中并且基于例如物体的CAD模型的物体坐标系中。变换根据记录的标 记进行，所述标记在物体坐标系中的位置已知。这里，通过从现有技术 已知的3D图像记录单元实现了小于0.5毫米的精度。
还已知一种3D扫描系统，特别是呈3D激光扫描仪形式的3D扫描 系统，其在一区段内进行深度扫描，并且产生点云(point cloud)。这里， 应对其中激光束逐行扫描区域的串行系统、其中扫描线在区域上方成扇 形散开的并行系统和所谓的同时扫描扇形中多个点并且因而进行扇形深 度记录的RIM或距离成像系统的完全并行系统之间进行区分。通常所有 这些系统的相同点是，深度扫描是通过至少一个特别是在区域上方移动 的测距激光束实现的。具体地，这样的串行系统被广泛使用并且可以以 商品名称"Leica HDS 6000"、 "Leica ScanStation 2"、 "Trimble GX 3D Scanner" 、 "Zoller + Frahlich IMAGER 5003"和"Zoller + Fr6hlicn IMAGER 5006"购买得到。
每一个3D图像记录单元的一个问题是，其中可以以所需分辨率进行 图像记录的记录区域受设计限制。在对较大物体进行三维确定的情况下， 因此不可避免地要对来自3D图像记录单元的不同位置和取向的一些个 三维记录进行标记。该多个较小的图像记录随后在记录区段内的标记的
帮助下通过重叠图像区域的匹配而组合起来，以给出较大的整体三维图 像。现有技术中公开了用于实现该目的的不同方法。这些方法的共同问
题是，待组合起来以形成较大图像的各个三维图像必需具有重叠区。3D 图像记录单元从具有至少一个参照点的第一区域部分到距离所述第一区 域部分一定距离并且不包括参照点的第二区域部分的离散位置变化通过 图像处理系统不可能实现，除非记录了联系所述两个区域部分的其它图 像。因此需要进行多个中间图像记录，以在光学上联系以一定距离间隔 开的两个待测区域部分，并允许相衔接的图像处理。通过记录无直接测 量内容的多个三维图像，整个测量方法减慢，并且耗费了内存和计算资 源。而且，尤其是在参照点相距较远的情况下，图像记录内的不可避免 地具有小测量误差的坐标测量在组合多个图像时对测量精度有很大的影 响。
而且，从现有技术还已知，其中3D图像记录单元由工业机器人头部 或门式(portal)坐标测量仪支撑并可调节的测量系统和方法。由于高质 量和高分辨率3D图像记录单元的重量较大，其在一些情况下大于10千 克，因此不可能以与图像记录精度匹配的所需精度精确地确定3D图像记 录单元的位置，因为这将需要这样一种稳定结构的处理系统，即，3D图 像记录单元的使用领域应被限制为静止系统。例如，汽车车体内部中的 使用将因此会很复杂或根本不可能。由于它们较低的测量精度(所述精 度明显低于精确的3D图像记录单元的精度)，因此工业机器人不适于外 部定位(referencing)。而且，门式坐标测量仪并非设计成用来支撑重的 载荷，并且在高的机械载荷下，不能给出可用于定位的测量结果。由于 该原因，由处理系统传送并且可提供关于3D图像记录单元的绝对和/或 相对位置信息的任何测量得到的位置值不能用于定位图像记录，特别是 不同的、非衔接(non-cohesive)的区域部分的多个三维图像记录进行定 位。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种方法和设备，其允许在物体坐标系中
在待测物体的物体表面上进行非接触、精确和快速的坐标测量，而无需 不可避免地使用待确定的多个参照标记。
该目的通过实施独立权利要求的特征来实现。在从属专利权利要求 中描述了以可替代或有利方式对本发明进一步改进的特征。
根据本发明的方法通过使用本身已知的用于对物体表面的一区域部
分的三维图像进行电子记录的3D图像记录单元进行。该3D图像记录单 元为单个装置，包括以下用于记录三维图像的具体元件——特别是照相 机、透镜、电子组件和/或测距计。具体地，所有这些元件容纳在3D图 像记录单元的单个壳体中。三维图像包括多个像素，所述第一像素分别 与一项深度信息相关联。特别是从所使用的光学记录元件(例如CCD图 像传感器)的垂直和水平分辨率产生所述像素。从现有技术可知这样的 3D图像记录单元，其例如呈以"Optigo"和"OptiCell"的品牌名称出售并且 包括在单个壳体中以等边三角形布置的三个照相机的"CogniTens"图像记 录系统的形式，以及呈具有两个并排布置的高分辨率CCD照相机和用于 将结构光投射到待记录部分上的"ActiCM，，的"Advent"系统的形式。因此， 这里将不进行更确切的描述。
优选地，这些照相机彼此固定结合在3D图像记录单元的单个壳体 内，所述照相机具有彼此间固定的相对光学取向(即，固定的相对视场) 和距离。
所述3D图像记录单元处在第一位置和第一取向下，从该第一位置和 第一取向电子记录待测物体表面的第一区域部分的第一三维图像。该三 维图像具体而言由所述3D图像记录单元从通过多个照相机记录并且从 不同角度映射该第一区域部分的多个单独图像电子地产生。所述第一三 维图像包括多个像素，所述像素分别与一项深度信息相关联。
还可以采用3D扫描系统、例如适当的3D激光扫描仪，而不使用多 个具有立体基础的照相机，作为用于记录第一三维图像的3D图像记录单 元。该3D激光扫描仪如上所述使用相应的系统串行或并行或完全并^^也 通过移动的激光束从第一位置和第一取向扫描该区域部分。除了激光扫 描单元之外，该3D激光扫描仪也可具有图像照相机，例如CCD照相机，
用于二维图像记录。通过照相机记录的像素深度信息由激光距离测量获
得。该3D激光扫描仪为单个装置，优选在单个壳体内包括所有的用于记 录所述第一三维图像的部件，具体为激光测距计、致动器、角度检测器 和光学照相机。
该第一三维图像从单独一个第一位置和第一取向记录并且产生，而 无需改变位置或取向。与3D图像记录单元和相对于其所记录的区域部分 相关的图像坐标系中的3D图像坐标与呈现在该三维图像中的像素相关 联，并且将关于对第一区域部分的勘测进行研究。例如，坐标包括三维 图像内的像素的水平和垂直位置和所记录的像素距所述3D图像记录单 元的记录平面的距离。例如通过3D图像记录单元或数据供给到其中的外 部数据处理单元实现这一指配(assignments
在通过测量设备记录所述第一三维图像时确定所述3D图像记录单 元在物体坐标系中的第一位置和第一取向，所述区域部分要在该物体坐 标系中勘测，且在所述物体坐标系中固定着待测物体。该测量设备结合 到物体坐标系统。这意味着，在测量过程中，待测物体和所述测量设备 的基部(相对于该基部进行对所述位置和取向的测量)彼此结合，而所 述3D图像记录单元由于其移动性而没有关于基部和待测物体结合。为了 简化说明，即使物体将在例如由CAD模型限定的另一个坐标系中勘测， 也将与测量设备的基部和物体相关的公共坐标系称为物体坐标系。但是， 测量设备和物体的可能不同的坐标系具有固定的共同参照，并且因此彼 此结合或者可彼此结合。
在下一个步骤中，通过已知的第一 3D图像坐标和3D图像记录单元 的第一位置和第一取向，而将物体坐标系中的第一 3D物体坐标指配给所 述像素。所述指配通过从现有技术已知的坐标变换而实现。因而，将3D 图像坐标定位(reference)在外部坐标系、即物体坐标系中。
本发明的优点特别在于，由于将3D图像坐标与呈外部测量系统(该 外部测量系统测量所述3D图像记录单元位置和取向)形式的物体坐标相 联系，从而无需在图像记录中使用多个参照点。如果将所述3D图像记录 单元转到第二位置和第二取向来记录和勘测第二区域部分，则在由所述
测量系统测量的第二位置和取向处进行对第二三维图像的定位。无需通 过图像处理对先前记录的图像和其中存在的标记进行定位。
接着可对物体表面上的两个或更多非衔接区域部分进行记录，而无 需进行将第二区域部分联系到第一区域部分的中间记录。结果，可更快
且更精确地实施测量方法。通过数据处理单元，可将多个重叠的3D图像 记录彼此联系起来，并且将其组合从而形成组合图像。由于对每一个三 维图像记录进行外部定位，从而可以以没有结合误差的高度精确方式实 现这一点。
在本发明的另一改型中，测量设备基本上与在3D图像记录单元保持 过程中作用的保持力分离。这意味着测量设备没有暴露于任何明显的用 于保持3D图像记录单元的保持力，并且因此没有通过3D图像记录单元 的重力而在测量设备上产生扭转和弯曲力。因此，3D图像记录单元的位 置和取向的确定过程中的测量精度显著提高，并且该精度可对应于3D图 像记录单元的测量的高光学精度。而且，可设计紧凑和可移动的测量设 备。特别地，对在可达性较差的空间内、例如在待测测量的车体内使用 该3D图像记录单元而言，这一点是有利的。
3D图像记录单元在图像记录过程中例如由充分吸收保持力的保持 装置(retaining device)保持。该保持装置可例如由与所述测量设备分离 的铰接式保持臂形成。可选地，3D图像记录单元用手通过手柄保持。
根据本发明，测量设备可呈可调节的机械铰接式3D坐标测量臂的形 式。从现有技术可知这样的铰接式3D坐标测量臂。被称为"铰接式臂" 或"便携式CMM"的类似系统可从"Romer"(产品名为"Sigma"、 "Flex"或 "Omega")禾口"CimCore"(产品名为"Infinite"或"Stinger")获得。
铰接式3D坐标测量臂以其良好的灵活性、易于处理、其紧凑设计、 其低重量和移动使用的可能性著称。通过安装在铰接式3D坐标测量臂上 的3D图像记录单元，即使在可达性较差的区域内也可进行三维图像记 录，而无需其直接看到铰接式3D坐标测量臂的基部，这是因为可使该铰 接式3D坐标测量臂倾斜。因而，即使在车辆内部，也可高精度地定位到 外部坐标系。
在另一个可选实施方式中，所述测量设备呈结合到所述物体坐标系
的光学激光测量系统的形式，特别是激光跟踪系统。所述3D图像记录单 元在所述物体坐标系中的位置和取向由所述激光测量系统通过直接或间 接地观测所述3D图像记录单元而以非接触方法确定。适用于该目的的激 光测量系统为例如来自"Leica Geosystems"的激光跟踪器系统"T一Cam"， 其在所有六个自由度中都以高精确度光学确定3D图像记录单元可布置 于其上的探针支架"T—Probe"的位置和取向。激光跟踪器系统"T—Cam" 定位在物体坐标系统中，因而能精确地确定3D图像记录单元的位置和取 向。而且通过使用该系统，使得所述测量系统与3D图像记录单元的保持 力分离。所述3D图像记录单元可例如通过铰接式保持臂或用手保持。
下面将参照附图示意性示出的具体工作实施例仅以示例的方式更加 详细地描述根据本发明的方法和根据本发明的设备，还讨论本发明的其 他优点。
附图中
图1显示了根据本发明的勘测系统和方法，包括作为测量设备的铰 接式3D坐标测量臂，并示出了 3D图像记录单元的第一及另一位置和取 向；
图2显示了根据本发明的勘测系统和方法，包括位于第一和第二位 置中的铰接式3D坐标测量臂；和
图3显示了根据本发明的勘测系统和方法，包括作为测量设备的光 学激光测量系统，并示出了 3D图像记录单元的第一及另一位置和取向。
具体实施例方式
图1中示出的用于在物体坐标系O中在待勘测物体1的物体表面2 上进行非接触坐标测量的勘测系统和勘测方法具有3D图像记录单元3， 其形成来用于对物体表面2的第一区域部分Si的第一三维图像Pt的进行 电子记录。该3D图像记录单元3包括三个电子照相机3a， 3b， 3c (参见
图2)，这些照相机从三个不同记录角度记录第一区域部分Sp以产生三 维图像P"三个电子照相机3a, 3b， 3c以固定方式彼此固定结合在3D 图像记录单元3的单个壳体内，并且彼此具有固定的相对光学取向和距 离。这样的系统为例如来自"CogniTens"的"Optigo"。通过3D图像记录单 元3，在第一位置x,， "， z!和第一取向(pp w， id下电子记录物体表面 2第一区域部分S！的第一三维图像P,，第一三维图像Pi包括多个第一像 素ip所述第一像素分别与一项深度信息相关联。3D图像记录单元3在 图像坐标系统B中的第一 3D图像坐标uu， Vli, w,i与第一像素h相关联。 3D图像记录单元3电子输出这些第一 3D图像坐标uu， vH， Wli。
3D图像记录单元3在物体坐标系0中的第一位置xp yP z,和第一 取向W，①p iq由结合到物体坐标系0的测量设备4a确定。该测量设备 呈可调节机械铰接式3D坐标测量臂4a的形式，并且对应于例如"Romer" 的产品"Sigma"， "Flex"或"Omega"。铰接式3D坐标测量臂4a具有附连 在物体坐标系O中的端部6和相对的可动测量端部7。通过枢转连接器8 可枢转地和/或可旋转地彼此连接的多个臂部分9以可在第一空间部分Rl
(参照图2)内自由移动可动测量端部7的方式布置在端部6、 7之间。 而且，设置有与枢转连接器8相关联的角度传感器10来确定各枢转连接 器8的角度位置ct。由于3D图像记录单元3安装在测量端部7上，从而 可动测量端部7以限定方式结合到3D图像记录单元3。 3D图像记录单 元3在物体坐标系0中的第一位置x,， y,， zt和第一取向化，w， iq由 已知的枢转连接器8的角度位置a和臂部分9的固定或伸縮长度a确定。 结合到3D图像记录单元3的可动测量端部7可以六个自由度运动。铰接 式3D坐标测量臂4a电子输出所确定的3D图像记录单元3的第一位置
Xi， yi， Z!禾口第一取向(pp COn Ki。
将3D图像记录单元3的第一 3D图像坐标Uli， vu， w"和3D图像 记录单元3的第一位置xp yi， a和第一取向化，co,, K,从铰接式3D坐 标测量臂4a供应到数据处理单元15。
数据处理单元15以这样的方式形成通过已知的第一 3D图像坐标 uu， vu, Wu和3D图像记录单元3的第一位置Xi， yi， zj口第一取向cpi，W， A,而使物体坐标系0中的第一3D物体坐标Xu, yH， zu以电子方 式与第一像素i,的相关联。数据处理单元15输出含有分配给第一像素h 的第一3D物体坐标Xu， yn， ^的信号。该信号可由计算机进一步处理， 在显示器上以图像的形式光学显示出来，或被记录以在稍后进一步加以 处理。
将3D图像记录单元3从第一位置Xi， yi， z,和第一取向cp!， cop Kl 转到第一空间Ri (参照图2)中的如图1中虚线所示的另一位置X2， y2， Z2和另一取向(P2， ca2， k2。如在第一位置和取向中的那样，在3D图像记
录单元3处于所述另一位置X2， y2， Z2和另一取向(P2， C02， TC2的情况下，
电子记录物体表面2的另一区域部分S2的另一三维图像P2。 3D图像记
录单元3在物体坐标系0中所述另一位置X2， y2， Z2和另一取向(P2， oa2，
K2也按照上述方式通过测量设备4a、即铰接式3D坐标测量臂4a加以确 定。如在第一图像记录的情况下的那样，通过已知的所述另一三维图像 P2的另一3D图像坐标u2i， v2i， W2i和3D图像记录单元3的所述另一位 置X2， y2， Z2和所述另一取向(p2， 0)2， k2，使物体坐标系0中的另一3D
物体坐标X2i， y2i， Z2i与所述另一三维图像P2的另一像素i2相关联。因而，
实现了独立而高精度地从外部定位两个三维图像Pi和p2。
也如在第一图像记录情况下的那样，将对应的信号供给到数据处理
单元15，数据处理单元15在数据处理之后，再次输出包含与第二像素i2 相关联的第二3D物体坐标X2i， y2i， &的信号。
如图1所示，物体表面2第一区域部分St和另一区域部分S2彼此部 分重叠。具有第一3D物体坐标化，yii， Zh的第一三维图像P!和具有另 一 3D物体坐标x2i， y2i， z2i的另一三维图像P2通过数据处理单元15电子 组合，从而形成相衔接的三维图像Pw2，并且以另一信号的形式输出。
3D图像记录单元3在图像记录过程中由充分吸收保持力的保持装置 11保持在各位置和取向下。图1中仅仅以3D图像记录单元3上的固定 点的形式示意性示出保持装置11。该保持装置11为例如未示出的并且将 3D图像记录单元3保持在适当位置处的铰接式保持臂的形式。可选地， 保持装置11为手柄，3D图像记录单元3通过该手柄被保持在适当的位
置和取向下。这里应指出的是，位置和取向在相对长的时间段内保持恒 定并不重要，重要的是在记录图像时，通过测量设备高精度地确定位置 和取向。
通过保持装置11 ，测量设备4a、即铰接式3D坐标测量臂4a基本上 与在保持3D图像记录单元3的过程中作用的保持力分离。因而，没有弯 曲或扭转力从3D图像记录单元3作用在铰接式3D坐标测量臂4a上， 从而所述臂可以进行高精度的测量。
图2示出用于记录不能从空间部分R,记录的另一区域部分S2的勘测 方法和勘测系统，在空间部分R1中，铰接式3D坐标测量臂4a的运动范 围(latitude)允许3D图像记录单元3运动。因而，需要改变铰接式3D 坐标测量臂4a的位置。结合在物体坐标系O中的端部6定位在第一位置 Ap以通过3D图像记录单元3记录第一区域部分Si的第一三维图像Pi， 所述3D图像记录单元3的第一位置Xl， yi， 21和第一取向化，w， Kl 在第一空间部分R,中确定。按照如图1中所描述的方式进行图像记录。 为了通过3D图像记录单元3记录另一区域部分S2的另一三维图像P2， 铰接式3D坐标测量臂4a通过其结合端部6被定位在第二位置A2，以使 3D图像记录单元3转到第二空间部分R2中的另一位置X2， y2， 22和另一
取向(p2， 0)2， K2。所述另一位置X2， y2， Z2禾卩另一取向(p2， C02， K2王见在
允许记录另一区域部分S2。第二图像记录也按照如图1中所描述的方式 进行。由于可将铰接式3D坐标测量臂4a设计成是紧凑且可移动的，因 此可以通过简单的方式将位置从第一位置A,变化到第二位置A2。
第一位置A!由第一地面固定物12确定，所述第一地面固定物12在 物体坐标系O中进行定位，并且结合端6可卸下地固定在其中。第二位 置A2也由第二地面固定物13确定，所述第二固定物13在物体坐标系O 中进行定位，并且结合端6可卸下地固定在其中。因而可通过第一地面 固定物12将铰接式3D坐标测量臂4a结合到物体坐标系O来确定第一 位置xp yi， Z!和第一取向((V C0i， Kl，并且通过第二地面固定物13来 确定至少一个另一位置x2， y2， Z2和另一取向cp2， co2， k2。地面固定物 12或13通常理解为是指限定的机械参照点(例如呈机械容器形式的机械200810215403.2
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参照点)和/或光学或其他参照点(例如呈标记或某一磁场形式的参照点)。
作为使用地面固定物12和13的替换形式，或除了使用地面固定物 12和13之外，还设置光学参照激光测量系统14。第一位置Ai和第二位 置A2由在物体坐标系O中加以定位的光学参照激光测量系统14光学确 定。铰接式3D坐标测量臂4a通过光学参照激光测量系统14结合到物体 坐标系O，用于确定第一位置xp yi， Zi和第一取向cpp w， Kl，并且用 于确定另一位置X2， y2， Z2和另一取向q)2， o2, k2。测量铰接式3D坐标 测量臂4a上的限定点并且因而确定并且定位出结合端部6的实际位置的 激光跟踪器可用作参照激光测量系统14。从现有技术可知该类型的适当 的激光跟踪器。
图3显示了图1的勘测方法和勘测系统的另一可选实施方式。这里， 没有采用图1的铰接式3D坐标测量系统4a，而是采用结合到物体坐标 系O的光学激光测量系统4b、特别是激光跟踪系统作为测量设备。3D 图像记录单元3在物体坐标系0中的第一位置xp yi， 21和第一取向(pp
COp Ki，和另一位置X2， y2， Z2和另一取向Cp2， 0)2， K2由激光测量系统
4b通过观测3D图像记录单元3而以非接触方法加以确定。适于确定所 有六个自由度的激光测量系统为例如"Leica Geosystems"的激光跟踪器系 统"T-Cam"，其在所有六个自由度中都以高精度通过光学方式确定结合到 3D图像记录单元3的接收器16"T—Probe"的位置和取向。形成激光测量 系统4b的激光跟踪器系统"T-Cam"在物体坐标系O中被定位，并因此可 精确地确定3D图像记录单元3的位置和取向。而且，通过使用该系统， 使测量系统4b与3D图像记录单元3的保持力分离。3D图像记录单元3 由保持装置ll保持，例如通过铰接式保持臂或通过手保持。
权利要求
1.一种用于在物体坐标系(O)中对于待测物体(1)的物体表面(2)进行非接触坐标测量的方法，其中通过处在第一位置(x1，y1，z1)和第一取向( l，ωl，кl)下的3D图像记录单元(3)电子记录所述物体表面(2)的第一区域部分(S1)的第一三维图像(P1)，所述第一三维图像(P1)包括多个第一像素(i1)，所述第一像素分别与一项深度信息相关联，所述3D图像记录单元(3)为特别是在所述图像记录单元(3)的单个壳体内的单个装置，该装置包括用于记录所述第一三维图像(P1)的元件，使所述3D图像记录单元(3)在图像坐标系(B)中的第一3D图像坐标(u1i，v1i，w1i)与所述第一像素(i1)相关联，通过结合到所述物体坐标系(O)的测量设备(4a，4b)确定所述3D图像记录单元(3)在所述物体坐标系(O)中的第一位置(x1，y1，z1)和第一取向( 1，ω1，к1)，通过已知的所述第一3D图像坐标(u1i，v1i，w1i)和所述3D图像记录单元(3)的所述第一位置(x1，y1，z1)和第一取向( 1，ω1，к1)，而使所述物体坐标系(O)中的所述第一3D物体坐标(x1i，y1i，z1i)与所述第一像素(i1)相关联，使所述3D图像记录单元(3)从所述第一位置(x1，y1，z1)和第一取向( 1，ω1，к1)转到至少一个另一位置(x2，y2，z2)和另一取向( 2，ω2，к2)中，通过处于所述另一位置(x2，y2，z2)和另一取向( 2，ω2，к2)下的所述3D图像记录单元(3)电子记录所述物体表面(2)的至少一个另一区域部分(S2)的至少一个另一三维图像(P2)，通过所述测量设备(4a，4b)在所述物体坐标系(O)中确定所述3D图像记录单元(3)的所述另一位置(x2，y2，z2)和另一取向( 2，ω2，к2)，以及通过已知的所述另一三维图像(P2)的所述另一3D图像坐标(u2i，v2i，w2i)和所述3D图像记录单元(3)的所述另一位置(x2，y2，z2)和另一取向( 2，ω2，к2)，而使所述物体坐标系(O)中的另一3D物体坐标(x2i，y2i，z2i)与所述另一三维图像(P2)的所述另一像素(i2)相关联。
2. 如权利要求l所述的方法，其中所述物体表面(2)的所述第一区域部分(S!)和至少一个另一区域 部分(S2)部分重叠，而且将具有所述第一 3D物体坐标(xn， yu， Zli)的所述第一三维图像(P,) 和具有所述另一3D物体坐标(x2i， y2i， z2i)的所述至少一个另一三维图 像(P2)组合，以形成相衔接的三维图像(P1+2)。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其中，所述测量设备(4a， 4b) 基本上与在所述3D图像记录单元(3)的保持过程中作用的保持力分离。
4. 如权利要求3所述的方法，其中，所述3D图像记录单元(3)在图像记录过程中由充分吸收保持力的保持装置(11)保持。
5. 如权利要求3或4所述的方法，其中所述测量设备呈可调节的机械铰接式3D坐标测量臂(4a)的形式，该测量设备包括结合在所述物体坐标系(O)中的端部(6)和相对的可动测量 端部(7)，多个臂部分(9)，所述多个臂部分布置在所述端部(6， 7)之 间，并且通过枢转连接器(8)可枢转和/或可旋转地相互连接，以使 得所述可动测量端部(7)可在第一空间部分(R》内自由运动，和角度传感器(10)，其与所述枢转连接器(8)相关联，用于确 定各枢转连接器(8)的角度位置(a)，所述可动测量端部(7)以限定方式结合到所述3D图像记录单 元(3)，而且通过已知的所述枢转连接器(8)的角度位置(a)和所述臂部分(9) 的长度(a)确定所述3D图像记录单元(3)在所述物体坐标系(0)中 的第一位置(x,， yi， Zl)和第一取向(cpp cop Kl)以及所述另一位置(x2， y2， z2)禾卩另一取向((p2，①2, k2)。
6. 如权利要求5所述的方法，其中，结合到所述3D图像记录单元 (3)的所述可动测量端部(7)可以以六个自由度运动。
7. 如权利要求5或6所述的方法，其中，结合到所述物体坐标系(O) 中的所述端部(6)定位在第一位置(A。，用于由其第一位置(Xl， yi， Zl)和第一取 向(cpi， op Kl)在所述第一空间部分(R。内确定了的所述3D图像记 录单元(3)来记录所述第一区域部分(S,)的所述第一三维图像(P》， 而且定位在第二位置(A2)，用于由在第二空间部分(R2)内处于所述至 少另一位置(x2， y2， z2)和所述另一取向((p2， cd2， k2)下的所述3D图 像记录单元(3)来记录所述至少一个另一区域部分(S2)的所述至少一 个另一三维图像(P2)。
8. 如权利要求7所述的方法，其中通过第一地面固定物(12)确定所述第一位置(A》，所述第一地面 固定物在所述物体坐标系(0)中被定位，并且所述结合端部(6)固定 在其中，并且通过第二地面固定物(12)确定所述第二位置(A2)，所述第二地面 固定物在所述物体坐标系(0)中被定位，并且所述结合端部(6)固定 在其中，并且所述铰接式3D坐标测量臂(4a)通过所述第一地面固定物(12)结合到所述物体坐标系(O)，用于 确定所述第一位置(xt， yi， Zl)和第一取向(化， ,， k,)，和通过所述第二地面固定物(13)结合到所述物体坐标系(O)，用于 确定所述至少一个另一位置(x2， y2， z2)和另一取向(cp2， 2， K2)。
9. 如权利要求7所述的方法，其中 通过在所述物体坐标系(O)中被定位的光学参照激光测量系统(14) 光学确定所述第一位置(A,)和所述第二位置(A2)，并且所述铰接式3D坐标测量臂(4a)通过所述光学参照激光测量系统 (14)结合到所述物体坐标系(O)，用于确定所述第一位置(x!， yi， Zl)和第一取向(cp!， COp Kl)和用于确定所述至少一个另一位置(x2， y2， z2)和另一取向(cp2， 2， K2)。
10. 如权利要求3或4所述的方法，其中所述测量设备呈结合到所述物体坐标系(O)的光学激光测量系统 (4b)、特别是激光跟踪系统的形式，并且所述3D图像记录单元(3)在所述物体坐标系(O)中的第一位置 (Xl， yi， Zl)和第一取向((pP op Kl)由所述激光测量系统(4b)通 过直接或间接地观测所述3D图像记录单元(3)而以非接触方法确定。
11. 如权利要求1到10中任一所述的方法，其中，所述3D图像记 录单元(3)包括至少两个电子照相机(3a， 3b， 3c),所述电子照相机 从至少两个不同记录角度记录所述第一区域部分(S,),以产生所述三维 图像(P。。
12. 如权利要求ll所述的方法，其中 所述至少两个电子照相机(3a， 3b， 3c)彼此固定结合在所述3D图像记录单元(3)的单个壳体内，并且 具有彼此间固定的相对光学取向和距离。
13. —种用于在物体坐标系(O)中在待测物体(1)的物体表面(2) 上进行非接触坐标测量的勘测系统，包括3D图像记录单元(3)，该3D图像记录单元形成为用于所述物体表面(2)的第一区域 部分(S》的第一三维图像(P》的电子记录，所述第一三维图像(P》 包括多个第一像素(h)，所述第一像素分别与一项深度信息相关联， 并且 该3D图像记录单元电子输出与图像坐标系(B)中的所述第一 像素(i。相关联的所述第一 3D图像坐标(Uli， vn， Wli)，并且该3D图像记录单元为特别是在所述图像记录单元(3)的单个 壳体内的单个装置，该装置包括用于记录所述第一三维图像(P》的 元件，测量设备(4a， 4b)该测量设备可结合到所述物体坐标系(O)，并且 该测量设备形成为用于确定所述3D图像记录单元(3)在所述物体坐标系(0)中的第一位置(xP yi， Zl)和第一取向(cpp①pK》，以及数据处理单元(15)所述第一3D图像坐标(Uli， vu， Wli)从所述3D图像记录单元 (3)供给到所述数据处理单元(15)，并且所述3D图像记录单元(3) 的所述第一位置(A， yi， Zl)和第一取向(91， (Op Kl)从所述测 量设备(4a， 4b)供给到所述数据处理单元(15),该数据处理单元以这样的方式形成通过已知的所述第一 3D图 像坐标(Uli， Vli， Wli)和所述图像记录单元(3)的所述第一位置(Xl， yi， Zl)和第一取向((fh， cop Kl)，而使所述物体坐标系(O)中的所述第一3D物体坐标(Xli， yii， Zli)与所述第一像素a)相关联，并且该数据处理单元输出包含与所述第一像素(h)相关联的所述第 一3D物体坐标(Xli， yu， Zli)的信号。 '
14. 如权利要求13所述的勘测系统，其中，所述测量设备(4a， 4b) 基本上与在保持所述3D图像记录单元(3)过程中作用的保持力分离。
15. 如权利要求14所述的勘测系统，该勘测系统包括保持装置(ll)， 该保持装置在图像记录过程中充分吸收在保持所述3D图像记录单元(3) 期间作用的保持力。
16. 如权利要求13到15中任一所述的勘测系统，其中，所述测量 设备呈可调节的机械铰接式3D坐标测量臂(4a)的形式，该测量设备包 括可结合在所述物体坐标系(0)中的端部(6)和相对的可移动测量 端部(7)，多个臂部分(9)，其布置在所述端部(6， 7)之间，并且可枢转地 和/或可旋转地通过枢转连接器(8)以所述可移动测量端部(7)在第一 空间部分(Rl)内可自由移动的方式彼此连接，和角度传感器(10)，其与所述枢转连接器(8)相关联，用于确定所 述各枢转连接器(8)的角度位置(cc)，所述可动测量端部(7)以限定方式结合到所述3D图像记录单元(3)， 并且所述铰接式3D坐标测量臂(4a)以这样的方式形成通过已知的所 述枢转连接器(8)的角度位置(a)和所述臂部分(9)的长度(a)确 定所述3D图像记录单元(3)在所述物体坐标系(O)中的第一位置(Xl， yi， Zl)和第一取向(cpp co,， Kl)，并将所述第一位置和第一取向供给到 所述数据处理单元(15)。
17. 如权利要求16所述的勘测系统，其中，结合到所述3D图像记 录单元(3)的所述可动测量端部(7)可以以六个自由度运动。
18. 如权利要求16或17所述的勘测系统，该勘测系统包括光学参 照激光测量系统(14)，其在所述物体坐标系(O)中被定位，并且具有 至所述数据处理单元(15)的信号链路，用于将所述铰接式3D坐标测量 臂(4a)结合到所述物体坐标系(0)。
19. 如权利要求13到15中任一所述的勘测系统，其中 所述测量设备呈结合到所述物体坐标系(0)的光学激光测量系统(4b)、特别是激光跟踪系统的形式，并且所述光学激光测量系统(4b)以这样的方式形成所述3D图像记录 单元(3)在所述物体坐标系(0)中的第一位置(Xl， yi， Zl)和第一取 向(w， co,， Kl)由所述激光测量系统(4b)通过直接或间接地观测所述 3D图像记录单元(3)而以非接触方法确定，并且将所述第一位置和第 一取向供给到所述数据处理单元(15)。
20. 如权利要求13到19中任一所述的勘测系统，其中，所述3D 图像记录单元(3)包括至少两个电子照相机(3a， 3b， 3c)，所述电子 照相机从至少两个不同的记录角度记录所述第一区域部分(S》，用于产 生所述三维图像(P。。
21. 如权利要求20所述的勘测系统，其中，所述至少两个电子照相 机(3a， 3b， 3c)彼此固定结合在所述3D图像记录单元(3)的单个壳体内，并且 具有彼此间固定的相对光学取向和距离。
全文摘要
本发明涉及用于在物体坐标系中在待测物体的物体表面上进行非接触坐标测量的方法和勘测系统。通过3D图像记录单元，在第一位置和第一取向下电子记录物体表面的第一区域部分的第一三维图像，该第一三维图像包括多个第一像素，所述第一像素分别与一项深度信息相关联。使所述3D图像记录单元在图像坐标系中的第一3D图像坐标与所述第一像素相关联。通过结合到所述物体坐标系的测量设备确定所述3D图像记录单元在所述物体坐标系中的第一位置和第一取向。通过已知的所述第一3D图像坐标和所述3D图像记录单元的所述第一位置和第一取向，而使所述物体坐标系中的第一3D物体坐标与所述第一像素相关联。
文档编号G01B11/00GK101363717SQ20081021540
公开日2009年2月11日 申请日期2008年8月7日 优先权日2007年8月10日
发明者克努特·西尔克斯, 波·佩特尔松, 贝内迪克特·泽布霍塞尔 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司