光学三角测量的制作方法

专利名称：光学三角测量的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种确定测量图像的空时体积中的轨道的延伸的方法。测量图像的空 时体积通过使用包括第一光源和传感器的测量系统的测量方法来产生。该测量方法包括下 述步骤在测量系统的预定工作条件下，在第一光源照射测量物体的同时相对于测量系统 沿第一移动方向移动测量物体，由此传感器在一组至少两个后续时刻中的每一时刻产生测 量物体的测量图像，由此产生测量图像的空时体积，其中，测量物体的特征点映射到空时体 积中的轨道。本发明还涉及一种通过包括第一光源和传感器的测量系统确定测量物体的特性 的方法。此外，本发明涉及一种适应于执行以上方法中的任何一种方法的计算机程序产 品、电子控制单元和/或测量系统。
背景技术：
现今，光学方法广泛用于测量或确定物体的特性，尤其是用于测量物体的三维轮 廓。一个优选的光学方法是所谓的光学三角测量方法，其中，待测量的物体相对于包括光源 和传感器的测量系统移动。可选地，物体静止而测量系统相对于物体移动。另外，光学系统 通常位于传感器和物体之间以用于把从物体反射的光聚焦到传感器上。光源、物体和传感 器彼此相距一定距离，以便它们中的每一个形成假想三角形的一个角，因此称为光学三角 测量。在一组至少两个后续时刻中的每一时刻期间，传感器基于从光源发出并从物体反射 的光产生物体的图像，由此产生一组图像。每个图像通常由按照具有行和列的矩阵排列的 一组像素组成，其中，每一列通常对应于与物体相对于测量系统移动的方向垂直的方向。随 后，通过分析所述一组图像中的光强来创建物体的三维图像。最初，前述分析限于扫描产生的图像中的每一图像以确定光强的峰并基于强度峰 的位置(即，每个峰在哪个图像以及图像的哪个部分出现)产生物体的三维图像。然而，可 以发现，仅当物体极为平坦并具有一致的反射率时，前述分析才给出物体的正确三维图像。由于利用物体极为平坦的假设创建物体的三维图像的方法看起来相当矛盾，所以 已提出了对原始的光学三角测量方法的改进。本发明所关注的一种改进方法公开于B. Curless和M. Levoy的论文，即“Better Optical Triangulation through SpacetimeAnalysis"in IEEE international Conference on Computer Vision,pages 987-994, Stanford University, June,1995。前 述论文公开了一种光学三角测量方法，其中，针对一组图像的每一列产生空时图像。如前所 述，每个图像具有行维度和列维度；因此，每一列空时图像具有行维度和时间维度。应该注 意的是，如果把所有列的空时图像组合在一起，则将会获得具有列维度、行维度和时间维度 的空时体积。B. Curless等人还教导，通过扫描过程可以获得增强的三维图像，该扫描过程包括 下述步骤在扫描旋转的空时图像中的每一行以确定光强峰之前，把每个空时图像旋转预定角度，其中该角度通常表示为空时角度。然后，把行维度和时间维度的峰位置旋转回至原 始坐标。可选地，以上扫描过程可被描述为沿每个空时图像中的轨道分析光强，所述轨道通 常假定为倾斜了所述空时角度的直线。根据B. Curless等人，以上公开的扫描过程提供了一种比原始方法更强壮的三维 图像产生方法。例如，该扫描过程对物体的反射性质的变化不太敏感。另外，与使用原始方 法相比，当使用包括上述扫描过程的光学三角测量方法时，可以更加正确地对物体的尖角 和/或端点成像。B. Curless等人还教导，基于尤其具有传感器和物体之间的几何和光学关系并具 有物体的运动作为输入的公式能够以分析的方式计算空时图像应该旋转的所述预定角度。然而，在导出针对空时角度的上述公式时，需要一些假设例如，传感器是正投影 的，并且在执行光学三角测量方法期间物体相对于测量系统以恒定的速度移动。另外，以分析的方式导出的空时角度并不计及次级效应(诸如，次级反射)和/或 通常连接到传感器的光学系统的缺陷。从上述内容可以认识到，需要改进获得空时图像(或者更一般地讲，空时体积)中 的光强轨道的方法，该方法不基于B. Curless等人的限制性假设，并且/或者该方法用于计 及次级效应，并且/或者该方法使得利用获得的轨道的光学三角测量方法能够使用物体相 对于测量系统的变化的(即，不是恒定的)速度。

发明内容
本发明的第一目的在于提供一种确定图像的空时体积中的轨道的延伸的方法，其 中计及了某些次级效应。本发明的第二目的在于提供一种确定图像的空时体积中的轨道的延伸的方法，该 方法不要求传感器是正投影的。本发明的第三目的在于提供一种确定图像的空时体积中的轨道的延伸的方法，该 方法不要求使用轨道延伸的光学三角测量方法在产生物体的图像的空时体积时以恒定的 (甚至是已知的)速度移动物体和/或测量系统。通过如权利要求1所述的确定测量图像的空时体积中的轨道的延伸的方法来实 现上述目的中的至少一项。因此，本发明涉及一种确定图像的空时体积中的轨道的延伸的方法。测量图像的 空时体积通过使用测量系统的测量方法来产生，测量系统包括第一光源和传感器。测量方 法包括如下步骤在测量系统的预定工作条件下，在第一光源照射测量物体的同时相对于 测量系统沿第一移动方向移动测量物体，由此传感器在一组至少两个后续时刻中的每一时 刻产生测量物体的测量图像，于是产生测量图像的空时体积，其中，测量物体的特征点映射 到空时体积中的轨道。根据本发明，在测量系统的所述预定工作条件下，确定延伸的方法包括下述步 骤-在使用入射光照射基准物体的同时相对于所述测量系统沿第一移动方向移动所 述基准物体，由此所述传感器在一组至少两个后续时刻中的每一时刻产生基准物体的基准 图像；
6
-基于所述基准图像确定所述延伸。因此，本发明所提出的是可以通过类似于用于产生测量物体的测量图像的测量方 法的确定方法或校准方法来建立测量图像的空时体积中的轨道的延伸。如此，并非导出用于轨道的空时角度的新公式，而是基于由测量系统记录的数据 确定轨道的延伸。这种方式在确定方法中提供了很大的灵活性，即可以基于由用户指定的 一个或几个准则确定轨道的延伸。另外，根据以上的确定方法能够(至少是隐含地)计及 次级效应。根据本发明的确定方法的实施例，轨道由一组子轨道组成，每个子轨道排列在空 时体积的有限子体积内。另外，假设基准物体具有基本上垂直于第一移动方向的物体横向 维度，并且还假设基准物体具有基本上垂直于第一移动方向和物体横向维度的物体垂直维 度。该方法包括下述步骤a)定义所述基准物体的一组区域，每个区域具有中心点，其中，所述一组区域中的 每个区域的中心点在物体横向维度和/或物体垂直维度上与所述一组区域中的其它区域 的中心点相距一定距离；b)对于所述一组区域中的每个区域，确定相应子轨道的延伸；c)组合子轨道以形成所述轨道。根据本发明的确定方法的另外的实施例，传感器具有传感器纵向维度和传感器横 向维度，所述传感器横向维度基本上垂直于第一移动方向。另外，由传感器产生的测量图像 具有分别与传感器纵向维度和传感器横向维度对应的图像纵向维度和图像横向维度，从而 空时体积具有三个维度，即传感器纵向维度、传感器横向维度和时间维度。假设所述轨道或 子轨道的延伸为直线并且所述直线的延伸由以第一角度相对于第一旋转轴并以第二角度 相对于第二旋转轴的倾斜来定义，其中，所述第一旋转轴平行于图像横向维度，所述第二旋 转轴平行于图像纵向维度。轨道沿直线延伸的假设简化了轨道延伸的确定，因为确定方法随后简化为确定第 一角度和第二角度。空时体积中的轨道可以在很多情况下由直线近似而不会降低最终结果 的质量，因此以上实施例提供了有效而合适的确定轨道的延伸的方法。另外，通过直线来近 似轨道的每个子轨道可以提供近似空时体积的不同部分的轨道的延伸的有效方法。根据本发明的确定方法的另一实施例，假设第二角度为零。这种假设进一步把轨 道延伸的确定简化为确定方法可以局限于在一组空时图像中而非在全部空时体积中找到 轨道。根据本发明的确定方法的再一个实施例，基准物体与测量物体相同。根据本发明的确定方法的另一实施例，基准图像形成与测量图像的空时体积相等 同的基准图像的空时体积。如此，并非在测量之前在单独的步骤中执行轨道延伸确定，而是 可以基于测量空时图像执行所述确定。这个实施例提供了多个优点。例如，把确定方法和 测量方法合并为一个方法缩短了获得完整的测量所需的时间。另外，可以执行使用测量系 统的不同工作条件的两个后续测量而不必在测量之间执行中间校准或确定步骤。根据本发明的确定方法的另一实施例，基准物体包括第一部分和第二部分，第一 部分和第二部分具有不同的反射性质。根据本发明的确定方法的另一实施例，该方法包括确定从基准图像产生的基准物体的三维图像中的伪像的量的测量结果的步骤，所述方法还包括下述步骤a)假设轨道的延伸；以及b)当使用假设的延伸时确定伪像的量的测量结果，其中，重复步骤a)和b)，直到 所述测量结果低于预定阈值或达到最小值。因此，以上的确定方法优选地减小了伪像的量而不需要关于伪像的起因的信息。 如此，伪像可能源于多种现象，包括但不限于物体的反射变化；物体的几何变化；次级反 射或光学系统的缺陷。伪像甚至可能源于以上多种现象的组合。然而，不管伪像的起因如 何，以上方法确定用于减小并且优选地最小化所述伪像的轨道延伸。自然地，这最终提供了 一种获得适合的测量数据，尤其是适合的物体三维图像的灵活方法。根据本发明的确定方法的再一个实施例，伪像的量的测量结果通过计算基准物体 的三维图像中的计算的高度轮廓值的方差来确定。根据本发明的确定方法的另一实施例，该方法包括形成基准图像的基准空时体积 的步骤，该方法还包括下述步骤a)假设轨道的延伸；b)分析沿基准空时体积中的假设的轨道的延伸的光强分布，并估计所述分布的中 心和对称比率，其中，具有低对称比率的分布比具有高对称比率的分布关于所述中心更为 对称，其中，重复步骤a)和b)，直到所述对称比率低于预定阈值或达到最小值。以与前面公开的伪像减小实施例类似的方式，以上的确定方法可以确定特性的延 伸而不需要关于测量系统的工作条件或者物体和/或测量系统的任何可能的伪像产生现 象的先验信息。根据本发明的确定方法的另一实施例，估计所述分布的对称比率的步骤包括比较 两个轨道点的光强值，所述轨道点沿所述假设的轨道在光强分布的中心的每一侧与所述中 心相距预定距离，并且基于所述两个轨道点的光强之差确定所述对称比率。根据本发明的确定方法的另一实施例，入射光具有呈基本单色光的区域，所述方 法还包括测量基准图像中的至少一个点的视移动的步骤，其中，轨道的延伸由跟踪特征点 通过基准图像来估计。因此，使用运动估计过程获得轨道延伸确定的直接方法。以上提供的方法还具有 可以针对测量图像的不同区域容易地确定不同的轨道的优点。另外，以上方法可以优选地 用于确定非线性的轨道。另外，该方法可以确定轨道的任意延伸，例如曲线延伸。不必说的 是，这提供了对于最终产生的测量数据的质量的进一步提高。根据本发明的确定方法的另一实施例，基准物体包括在所述传感器的视野中的具 有较大对比度变化的部分。根据本发明的确定方法的另一实施例，所述部分包括镜面结构以便促进视移动的测量。根据本发明的确定方法的另一实施例，使用正交滤波器执行所述运动估计。本发明的第二方面涉及一种通过测量系统确定测量物体的特性的方法，该测量系 统包括第一光源和传感器。所述方法包括如下步骤在第一光源照射物体的同时相对于测 量系统沿第一移动方向移动测量物体，由此传感器在一组至少两个后续时刻中的每一时刻 产生所述物体的测量图像，由此产生测量图像的所述空时体积。所述方法还包括通过确定沿所述空时体积中的轨道的反射光的强度的峰的位置来识别测量物体的特征点的步骤，其 中，使用以上方法中的任一方法确定所述轨道的延伸。根据本发明的第二方面的实施例，确定从物体发出的光的强度的峰值的位置的步 骤通过估计沿所述轨道的光强分布来执行，其中，所述峰通过估计所述光强分布的重心来确定。根据本发明的第二方面的另一实施例，确定轨道的延伸的方法以及确定测量物体 的特性的方法是使用测量系统的同一运行的结果来执行的。根据本发明的第二方面的另一实施例，通过所述方法要确定的特性包括测量物体 的三维轮廓。本发明的第三方面涉及一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序 包含可在计算机或处理器中可执行以实现以上方法中的任一方法的步骤的计算机程序代 码，所述产品存储在计算机可读介质或载波上。本发明的第四方面涉及一种电子控制单元，包括以上的计算机程序产品，并用于 执行以上的轨道延伸确定方法和/或以上的特性确定方法。本发明的第五方面涉及一种测量系统，包括第一光源、传感器和以上的电子控制单元。根据本发明的第五方面的实施例，所述测量系统还包括第二光源，第一光源用于 产生具有基本单色光的区域。根据本发明的第五方面的另一实施例，所述传感器用于同时产生两个子图像，其 中，一个子图像用于以上的确定测量物体的特性的方法，其中，第二子图像用于以上的确定 轨道的延伸的方法。


以下，将参照附图通过非限制性的例子进一步解释本发明，其中图1是执行光学三角测量方法的测量系统的示意性透视图；图2A-2C是从使用图1测量系统的光学三角测量方法获得的结果的示意图；图3是在测量窄测量物体时图1测量系统的二维示意图；图4A-4D是图3示出测量的二维结果；图5A-5C例示了根据本发明第一实施例的延伸确定方法；图6例示了根据本发明第二实施例的延伸确定方法；图7是执行延伸确定方法的第三实施例的测量系统的示意性透视图。
具体实施例方式如下将通过实施例示例性地说明本发明。然而，应该理解，包括实施例是为了解释 本发明的原理而非限制由权利要求定义的本发明的范围。图1例示了执行光学三角测量方法的测量系统10。系统10包括第一光源12和传 感器14。第一光源12用入射光18照射测量物体16。传感器14检测从测量物体16反射的 光20，并基于反射光20产生图像。另外，系统10优选地包括光学系统22，光学系统22位 于传感器14和测量物体16之间。光学系统22在图1中示意性地例示为单个透镜。然而，当然可以使用其它光学系统设置。另外，优选地，测量系统具有电子控制单元24，电子控制 单元24存储和/或分析由传感器14记录的图像。优选地，该系统还包括观察装置26，例如 显示装置，观察装置26用于显示记录的图像和/或由电子控制单元24产生的图像。另外， 图1中示出分别具有X、Y和Z维度的全局坐标系。从图1中可以看出，入射光18和反射图像光20形成角度a。这个角度α通常被 称为三角测量角度。第一光源12优选地产生结构光，例如线性光或由多种基本上地点或线段组成的 光，并且可以具有适合应用的任何类型，例如激光、发光二极管(LED)、普通光(电灯泡)等， 这些类型为本领域技术人员所熟知并且在这里不进一步进行描述。在操作期间，测量物体16相对于测量系统10沿第一移动方向(即，图1中的Y方 向)移动。为此，测量物体16例如可以放置在传送带(未示出)或任何类似的装置上。可 选地，测量物体16可以静止，而测量系统10相对于测量物体16移动。自然，以上两种替换 方案的组合也是可以的。在测量物体16相对于系统10的相对移动期间，第一光源12照射测量物体16，由 此传感器14在一组至少两个后续时刻T中的每一时刻、产生测量物体16的测量图像。优选地，传感器14是CMOS传感器，但本领域技术人员应该理解，本发明可以应用 于其它类型的传感器，诸如CCD传感器或适合于基于从物体反射的光产生物体图像的任何 其它传感器。从图1中可以看出，传感器优选地具有传感器纵向维度Vs和传感器横向维度 us。优选地，传感器横向维度us基本上垂直于第一移动方向Y。测量系统10的变型当然可以包括另外的传感器(未示出)和/或另外的光源(未 示出)。纯粹作为示例，这些另外的传感器和/或光源可以用于减少遮挡问题。由传感器产生的测量图像优选地具有分别与传感器纵向维度Vs和传感器横向维 度Us对应的图像纵向维度Vi和图像横向维度Ui。实践中，传感器14通常包括具有nXm个 像素的矩阵，其中，η对应于传感器纵向维度Vs(即，行)的像素，m对应于传感器横向维度 Us(即，列)的像素。每个测量物体16可以视为具有由多个特征点建立的三维轮廓。在图1中，仅示出 一个特征点28，但图1中的测量物体16的每一侧由多个(理论上，实际上是无限个)特征 点组成。因此，如果确定每个特征点28的三维位置(即，特征点的(X，Y，Z)坐标)，则通过 简单地组合全部特征点的几何信息就可以产生测量物体16的三维图像。应该注意的是，除 了点的位置之外，也可以确定每个特征点的其它特性。这种特性可以包括但不限于反射比 和/或光散射性质。图2A-2C例示了在一组至少两个后续时刻T中的每一时刻、由图1例示的测量 系统10产生的一组测量图像。可以看出，这组图像在图2中由与四个时刻、-、对应的四 个图像IMtl-IM3组成。图2还例示了图像IMtl-IM3彼此堆叠，由此形成测量图像的空时体积 Vm。图2的图像IMtl-IM3中的每一个图像具有图像横向维度Ui和图像纵向维度Vi，因此图2 中示出的空时体积Vm具有三个维度，时间维度是第三个维度。由于在产生测量图像IMtl-IM3期间测量物体16相对于测量系统10移动，所以测量 物体16的特征点28将会映射至空时体积Vm中的轨道R。如此，在特征点28处于传感器14的视野内的时刻中的每一时刻，来自特征点28的反射光20将会入射到传感器14的某个点上。反射光20入射到传感器上的点的位 置以及反射光20的强度的大小取决于，例如，测量物体16、传感器14和第一光源12之间的 相对距离。因此，一旦沿轨道R识别出最大光强(即，光强峰)，则该峰在(Ui，Vi，t)坐标系 中的坐标将会揭示出尤其关于特征点28在(X，Y，Z)坐标系中的位置的信息。—般来讲，该峰的时间值提供关于Y坐标的信息，Ui值提供关于X坐标的信息，Vi 值提供关于特征点28的Z坐标的信息。从图2中可以认识到，轨道R的延伸取决于测量物体16相对于测量系统10移动 的速度。如此，如果上述速度是零，即如果测量物体16相对于测量系统10静止，则轨道R 的延伸将会平行于时间轴。另一方面，如果测量物体16相对于测量系统10以无限高的速 度移动，则轨道R的延伸将会只在Ui-Vi平面内。可以以多种方法近似轨道R的延伸。一种简单明了的方法是用直线近似轨道R，该 轨道R的延伸由以第一角度相对于第一旋转轴和以第二角度相对于第二旋转轴的倾斜来 定义。这一倾斜分别在图2Β和图2C中例示，其中，图2Β例示了第一角度θ ST在本文定义 为围绕平行于图像横向维度Ui的第一旋转轴旋转，其中，图2C例示了第二角度θ STU在本文 定义为围绕平行于图像纵向维度Vi的第二旋转轴旋转。在研究根据本发明的轨道延伸确定 方法的各种实施例时，应该记住，轨道R的直线近似适合于所有实施例。然而，还应该注意 的是，每一个实施例也非常适合与其它轨道延伸近似(诸如，例如抛物线近似)一起使用。现在，参照图3，为了简化对使用空时分析的益处的解释，呈现了测量窄测量物体 16时的测量系统10的二维版本，其中窄测量物体16在图3中被理想化为仅具有一个方向 的延伸的线的形式。在图3中，测量物体16沿Y方向延伸。测量系统10如前所述工作，其 中，传感器14在一组至少两个后续时刻T中的每一时刻、产生测量物体16的测量图像。 通常，测量图像将会形成测量图像的空时体积Vm，但由于图3中的测量系统10简化为二维 系统，所以每个测量图像在这里是一维图像；因此，在这种情况下的测量图像形成图4A中 示出的空时图像Im。为了获得以与测量物体16相同的方式定向的空时图像Im，可以通过按照相反的时 间次序排列所述一组测量图像IMi来产生空时图像Im。以这种方式排列所述一组测量图像 IMi将会确保测量物体16的最右边部分16b映射到成像的物体的最右边部分16B，如图3和 图4A中所示。图4A还分别显示了两个轨道0和S,沿着这两个轨道0和S搜索光强峰。从图4A 中可以看出，第一轨道0对应于从光学三角测量方法获得的测量图像的原始分析，其中，针 对空时图像Im中的每一行搜索光强峰。第二轨道S对应于测量图像的空时分析。图4B例示了在使用第一轨道0时所得的图像，即Y，Z坐标的测量物体16的图像。 从图4B可以看出，所得图像呈现出对于测量物体16的第一末端部分16A和第二末端部分 16B的不正确表示。这种不正确表示的原因通常可能源自于这样的事实由第一光源12产 生的入射光18是具有大于零的沿Y方向的延伸的光束，即入射光18永远不会只撞击测量 物体16的一个点而是撞击测量物体16的一个范围，即使这个范围可能比较窄。自然地，由 于入射光18具有沿Y方向的延伸，所以反射光20因此也会具有沿Y方向的延伸。入射光 18和反射光20的这种延伸由图3中的虚线指示。如此，在入射光18接近例如测量物体的 第一末端部分16A时，仅入射光18的一部分将会撞击测量物体16，而光18的其余部分将会简单地通过测量物体16。不同的光源可以产生具有不同光强分布的光束。纯粹地作为示 例，例如，光源可以产生具有正态(高斯)光强分布的光束。来自第一末端部分16A的反射光20因此只是来自例如测量物体16的中心部分 16C的反射光20的一部分。上述反射光的一部分因此会产生具有峰的光强分布，所述峰具 有不与第一末端部分16A的实际Z坐标对应的图像纵向坐标Vi。当沿轨道0针对空时图像 Im搜索光强中的峰时并不计及这种效应；因此，第一末端部分16A和因此第二末端部分16B 的所得图像的相应Z坐标不同于正确Z坐标。如果当针对空时图像Im搜索光强中的峰时改为使用第二轨道S，那么当接近第一 末端部分16A时会捕捉到入射到测量物体16的入射光18的逐渐减小，以及由此反射光20 的逐渐减小。因此，沿第二轨道S的光强分布的峰值将会对应于第一末端部分16A的正确 Z坐标。实践中，当沿第二轨道S搜索光强中的峰时，最好把空时图像Im从Vi，t坐标系变 换到Vi’，t’坐标系，以便第二轨道S沿Vi’维度延伸，见图4D。然后，针对变换后的空时图 像Im沿ν/维度搜索光强中的峰，并且在产生Y，Z坐标的最终图像之前把由此发现的峰变 换回至Vi, t坐标系。如果假设第二轨道S是相对于Vi维度倾斜角度θ的直线，则空时图像Im可以旋 转角度-Θ以便获得变换后的空时图像Im’，如图4D中所示。然而，本发明的发明人认识到 可以代替地简单按照角度_ θ剪切空时图像Im，同时仍能获得足够准确的结果。当研究图4A-4D时可以认识到，确定轨道R的延伸是非常重要的，以便获得测量物 体16的足够准确的再现。然而，如前面所指出，现有技术仅仅教导轨道R可以由相对于空 时图像ImWvi维度旋转角度θ的直线近似，其中，通常表示为空时角度的角度θ可以从 分析表达式导出。作为替代方案，本发明提出，可以通过使用从测量系统10获得的测量数据的轨道 延伸确定方法来建立轨道。测量系统10可以用于执行测量图像的空时体积Vm的轨道的延 伸的确定方法或校准方法。可选地，可以对测量物体16的测量图像进行后处理以便确定哪 个轨道产生最佳的最终结果。以下，将给出以上确定方法的各种实施例。然而，所有实施例的共同之处在于，它 们旨在用于相同的产生测量图像的空时体积Vm的工作条件。此外，本发明提出，由测量系 统10测量基准物体30以便产生一组基准图像IRtl-IRn，其中，基准物体30在一些情况下可 以与测量物体16相同。然后，基于基准图像IRcrIRn确定轨道的延伸。在以下的实施例中，给出单个轨道R的延伸的确定。然而，这些实施例中的任何一 个实施例当然可以用于确定测量图像的空时体积Vm中的多个轨道R的延伸。例如，可以针 对测量图像的空时体积Vm确定一组子轨道，其中，每个子轨道对应于测量物体16的某个特 征点28或特征区域。每个子轨道针对沿Ui或Vi维度中的至少一个维度的有限间隔有效， 并且通过组合这些子轨道可以产生总的空时体积Vm的轨道R。测量图像的空时体积Vm中的子轨道也可以视为上述空时体积Vm中的矢量场。如 果测量物体16相对于测量系统10以恒定的速度移动，则子轨道可以视为仅在Ui，Vi平面中 的矢量场，即与特定Ui, Vi坐标对应的子轨道的延伸沿时间维度t不变。如此，如果测量物体16以恒定的相对速度移动，则与某一 Ui，Vi坐标对应的子轨道的延伸或者甚至与Ui和Vi维度两者的某一范围对应的子轨道的延伸可以由第一角度θ ST 和第二角度θ STU的局部值代表，其中，第一角度θ ST和第二角度esTU已结合图2B和图2C 进行了讨论。如果针对单个Ui, Vi坐标确定了上述局部值并且假设该坐标代表整个测量物 体16，则获得恒定的(即，独立于实际的Ui，Vi坐标的)矢量场。这种方法对应于图4A中 第二轨道S的恒定延伸，即第二轨道S具有相同的倾斜θ而与沿Vi维度的值无关。换句 话说，图4Α中的第二轨道S可以视为由单个子轨道组成。然而，也可以针对在X和/或Z维度上彼此相距一定距离并因此对应于Ui和/或 Vi维度的不同点的多个点确定上述局部值。然后，可以假设这些局部值中的每一个值在Ui 和/或Vi维度排列的间隔中有效。因此，再次参照图4Α中示出的二维例子，图中例示的空 时图像Im可以分成多个水平延伸带(未示出)。然后，可以针对每一个带确定局部空时角 度Θ。纯粹地作为示例，当利用本发明的确定方法确定局部空时角度θ时，可以沿带使用 中心的Vi坐标，然后假设该局部空时角度θ应用于整个带。如此，在这种情况下，空时图像 Im的轨道R可以视为由后续一组线性部分或子轨道建立，一个部分用于一个带，由此形成沿 Vi维度的分段的线性轨道R。图5A-5C例示了本发明的确定方法的第一实施例。从图5Α可以看出，基准物体30 包括第一部分32和第二部分34，第一部分32和第二部分34具有不同的反射性质。这里使 用的表述“反射性质”涉及由表面反射的入射辐射部分的测量。通常，“反射性质”尤其取决 于反射光的方向、入射光的方向和入射光的波长。显然，基准物体30可以包括多个部分，每 个部分具有与相邻部分的反射性质不同的反射性质(未示出)。在图5Α中，基准物体30包括在传感器14的视野中的基本平坦表面，并且该表面 沿基本平行于第一移动方向Y的方向延伸。这是当执行本发明的确定方法的第一实施例时 基准物体的优选设计，但基准物体30的其它设计也可以是适合的。由于图5Α中基准物体 30的表面基本平坦，所以使用用于产生基准图像的空时体积\的光学三角测量方法的基准 物体30的三维图像也应该是基本平坦的。然而，从图5Β中可以看出，由于基准物体30的第一部分32和第二部分34的不同 反射性质，所以在所得的三维图像中可能产生指示基准物体30的两个部分32、34之间的区 域的高度差的伪像36’、36”。如果使用第一轨道0针对基准图像的空时体积Vr搜索光强峰， 则这些伪像最有可能是最明显的。如果改为使用第二轨道S，则伪像36’、36”可能减小。然 而，如前面所讨论的，由于第二轨道S的延伸的确定不计及例如若干光学现象，所以远不能 确定使用第二轨道S将会产生具有最低和/或最小量伪像36’、36”的基准物体30的三维 图像。因此，根据本发明的第一实施例，该确定方法包括下述步骤a)假设基准图像的时空体积\中的轨道R的延伸b)当使用假设的延伸时确定伪像的量的测量结果重复步骤a)和b)，直到测量结果低于预定阈值或到达最小值。图5C表示当使用从以上方法获得的轨道R的延伸时创建的基准物体30的三维图 像。与图5B中的图像相比，很明显，伪像36’、36”的量已显著减小，因此已获得对于反射性 质的变化具有足够低的敏感度的轨道R的延伸。这提供了在与以上方法相同的工作条件下 测量的并且同时对反射变化足够地不敏感的测量物体16的三维图像。
作为伪像36，、36”的量的测量结果，优选地使用基准物体30的三维图像中的计算 的高度轮廓值的方差。如此，该测量结果也可以视为关于伪像36’、36”的尺寸的测量结果。 这个测量结果可以优选地用于被编程为通过选择轨道R的最佳延伸使测量结果最小化的 优化例程。应该注意的是，虽然以上提供的本发明的确定方法的第一实施例的例子使用基本 平坦的基准物体30，但第一实施例也可以结合具有不同高度(即，不同的Z坐标)的部分 (未示出)的基准物体30使用。如此，如果测量物体16设有反射性质不同的第一部分32 和第二部分34，则测量物体16本身可以用作基准物体30。因此，根据以上描述的实施例的 延伸确定方法可以随后优选地用作后处理方法。图6例示了本发明的确定方法的第二实施例。第二实施例使用这样的事实特征 点28将会沿基准图像的空时体积\中的轨道R产生光强分布38。图6中的轨道R由直线 近似，但是利用确定方法的第二实施例当然可以确定轨道R的任意延伸。图6的确定方法利用这样的知识当获得正确的轨道R延伸时，光强分布38完全 关于光强分布38的中心40 (通常是重心)对称。如此，本发明的确定方法的第二实施例包 括下述步骤a)假设轨道R的延伸；b)分析沿基准空时体积\中的假设的轨道R的延伸的光强分布，并估计该分布的 中心40和对称比率SR。然后，重复步骤a)和b)，直到对称比率SR低于预定阈值或达到最小值。第二实施例具有几种优点。例如，在反射性质或类似方面对基准物体30没有特定 要求。另外，第二实施例可以提供用于测量图像的空时体积Vm的后处理例程的简明实现， 即基准物体30和测量物体16是一个物体并且相同。如以上所使用的，具有低对称比率SR的分布38比具有高对称比率SR的分布关于 中心40更为对称。如此，以与本发明的确定方法的第一实施例中类似的方式，对称测量结 果SR可以优选地用于被编程为通过选择轨道R的最佳延伸使对称测量结果SR最小化的优 化例程。估计对称比率SR的优选方式包括比较两个轨道点rai、PR2的光强值的步骤。轨 道点rai、PR2沿假设的轨道R被定位在光强分布38的中心40的每一侧且与中心40相距 预定距离d处。在第二实施例的优选实现中，随后基于两个轨道点冊1、PR2的光强之差确 定对称比率SR。图7表示本发明的确定方法的第三实施例。第三实施例使用结合图2A公开的教 导，即轨道R的延伸取决于测量物体16相对于测量系统10的运动。如此，当确定轨道的延 伸时，可以使用精确估计基准物体30的一个点或几个点的运动的运动估计算法。如此，使用所谓的光流方程可以优选地估计基准物体30的特定点的运动矢 量。关于如何详细实现这一点的更加完整的解释公开于2004年10月的K. Nordberg 禾口 F.Viksten “Motion based estimationand representation of 3D surfaces and boundaries”， IWCM04, Giinzburg, Germany, International Workshop on Complex Motion(IffCM)。然而，应该注意的是，对于本领域人员而言存在其它获得运动矢量的可行方 法。
通过使用这样获得的运动矢量，可以确定基准物体30的点的视移动(apparent movement)。一旦知道了所述点的视移动，通过使轨道R跟随所述视移动就可以确定轨道R 的延伸。随后可以假设由此确定的轨道R的延伸针对基准图像中的每个点有效。可选地， 确定基准物体30的优选地具有不同的X坐标和/或Z坐标的多个点的视移动。因此，可以 产生多个子轨道，所述多个子轨道的延伸取决于相应点的X坐标和Z坐标并因此取决于空 时体积Vm中的Ui，Vi坐标。这些子轨道可以随后组合以形成一个轨道R。为了执行以上的运动估计算法，第一光源12优选地产生带有基本单色光的区域。 此外，为了增强运动估计算法的功能，基准物体30优选地包括具有较大对比度变化的部 分，更优选地，该部分包括镜面结构。以下描述结合单色光使用包括具有较大对比度变化的部分的基准物体30的原 因。大体上来讲，求解上述光流方程可以视为找到针对定向张量Q的零矢量。该定向张量 又可由点描述符矩阵M表示。根据例如K. Nordberg等人，已知当通过分析描述符矩阵M来 确定物体的视移动时，如果物体仅包含单个点，则描述符矩阵M事实上具有秩一。因此，通 过在基准物体30中引入具有较大对比度变化的部分42，基准物体30可以视为仅包含单个 点，即具有较大对比度变化的部分42。由于描述符矩阵M的秩减小到秩一，所以简化了对其 的分析，这又简化了具有较大对比度变化的部分42的视移动的估计。通过把问题简化为二维问题并产生基准物体30的空时图像，还能够获得运动矢 量。然后，通过把空时图像与一组所谓的正交滤波器进行卷积就能够获得关于运动矢量的 信息°在1^ Knutsson“Filteringand Reconstruction in image processing，，,PhD thesis, Linkooping University，Sweden, 1982，Diss. No. 88 以及 Nordberg, K. ；Farneback, G"A framework for estimation of orientation and velocity，，InternationalConfere nce on Image Processing,2003,ICIP 2003,publication data 14-17Sept. 2003, Volume 3，Page (s) :III-57_60 vol. 2 中讨论了这种方法。图7还例示了用于执行根据本发明的第三实施例的估计方法的优选测量系统10。 图7的测量系统10包括两个光源第一光源12和第二光源46。第一光源12产生具有基 本单色光的区域以用于如上讨论的视移动方法，而第二光源46可以优选地产生非常适合 于产生物体的三维图像的光。另外，图7的测量系统10的传感器14可以针对至少两个后 续时刻中的每一时刻产生两个子图像44’、44”，并因此可以用于产生两组子图像SIp SI20 第一组子图像SI1可以用于产生用于确定测量物体的特性(特别地，测量物体的三维轮廓) 的图像。第二组子图像SI2可以用于以上讨论的视移动方法。一旦使用以上讨论的任何一个实施例确定了测量图像的空时体积Vm中的轨道R 的延伸，通过分析沿由一组测量图像IMi产生的空时体积Vm中的轨道R的光强，该延伸就可 以当然地用于确定测量物体16的特性，优选地确定测量物体16的三维轮廓和/或反射分 布和/或光散射性质。该分析可以以多种方法执行。例如，如果假设轨道R是直线并且假 设轨道的倾斜针对空时体积Vm中的所有点有效，则可以根据轨道R的倾斜旋转或剪切空时 体积Vm。可选地，替代对空时体积Vm的变换，可以建立其中在原始空时体积Vm中跟随轨道 R的搜索过程。另外，如果在空时体积Vm中确定了多个轨道R，例如，针对传感器14不同部 分的不同轨道R，则可以产生这样的搜索过程首先内插传感器14的每个点的轨道R的延 伸，然后当搜索光强峰时跟随内插后的轨道R的延伸。
以上描述的特性确定方法可以在广泛的应用领域内使用。纯粹作为示例，该方法 可以用于产生产品的三维图像以便检测产品的缺陷。搜索的缺陷可以是例如不希望在产品 上出现的裂纹或刮痕。作为特定例子，该产品可以是木材，并且本发明的测量系统可以有益 地用于锯木厂以控制锯木材的质量。在本发明范围内的另外的修改是可行的。例如，虽然仅结合本发明的第三实施例 详细讨论了通过组合多个子轨道产生轨道R的概念，但这个概念可以用于本发明的确定方 法的所有实施例。纯粹作为示例，图5A中示出的基准物体30可以具有多个表面，每个表面 具有反射性质不同的第一部分32和第二部分34，其中，这些表面优选地在X维度和/或Z 维度上彼此相距一定距离。然后，结合图5B和图5C讨论的确定方法可以优选地针对每个 上述表面执行，由此产生可以组合成轨道R的多个子轨道。关于第二实施例，可以沿空时体 积Vm的Ui和/或Vi维度的多个不同间隔优选地使对称比率SR最小化，由此针对上述间隔 中的每个间隔产生子轨道。如此，本发明不应该视为受到这里描述的实施例和附图的限制。 相反，本发明的全部范围应该参照说明书和附图由权利要求确定。
权利要求
一种用于确定测量图像的空时体积(Vm)中的轨道(R)的延伸的方法，所述测量图像的空时体积(Vm)通过使用测量系统(10)的测量方法来产生，该测量系统(10)包括第一光源(12)和传感器(14)，所述测量方法包括如下步骤在所述测量系统(10)的预定工作条件下，在所述第一光源(12)照射测量物体(16)的同时相对于所述测量系统(10)沿第一移动方向(Y)移动所述测量物体(16)，由此所述传感器(14)在一组至少两个后续时刻(t0 tn)中的每一时刻(T)产生所述测量物体(16)的测量图像，由此产生所述测量图像的空时体积(Vm)，其中，所述测量物体(16)的特征点(28)映射到所述空时体积(Vm)中的轨道(R)，其特征在于，在所述测量系统(10)的所述预定工作条件下，用于确定所述延伸的所述方法包括下述步骤 在使用入射光(18)照射基准物体(30)的同时相对于所述测量系统(10)沿所述第一移动方向(Y)移动所述基准物体(30)，由此所述传感器在一组至少两个后续时刻(t0 tn)中的每一时刻产生所述基准物体(30)的基准图像(Ir)；和 基于所述基准图像(Ir)确定所述延伸。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述轨道(R)由一组子轨道组成，每个子轨道排列 在所述空时体积(Vm)的有限子体积内，所述基准物体(30)具有基本上垂直于所述第一移 动方向(Y)的物体横向维度(X)，所述基准物体(30)还具有基本上垂直于所述第一移动方 向(Y)和所述物体横向维度(X)的物体垂直维度(Z)，其中，所述方法包括下述步骤a)定义所述基准物体(30)的一组区域，每个区域具有中心点，其中，所述一组区域中 的每个区域的所述中心点在所述物体横向维度(X)和/或所述物体垂直维度(Z)上与所述 一组区域中的其它区域的中心点相距一定距离；b)对于所述一组区域中的每个区域，确定相应子轨道的所述延伸；c)组合所述子轨道以形成所述轨道(R)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述传感器(14)具有传感器纵向维度(Vs)和 传感器横向维度(us)，所述传感器横向维度(Us)基本上垂直于所述第一移动方向(Y)，其 中，由所述传感器(14)产生的测量图像(Im)具有分别与所述传感器纵向维度(Vs)和所述 传感器横向维度(Us)对应的图像纵向维度(Vi)和图像横向维度(Ui),从而所述空时体积 (Vffl)具有三个维度所述图像纵向维度(Vi)；所述图像横向维度(Ui)和时间维度(t)，其 中，假设所述轨道(R)或所述子轨道的所述延伸是直线并且所述直线的延伸由以第一角度 (Θ5Τ)相对于第一旋转轴和以第二角度(9STU)相对于第二旋转轴的倾斜来定义，其中，所 述第一旋转轴平行于所述图像横向维度，所述第二旋转轴平行于所述图像纵向维度。
4.如权利要求3所述的方法，其中，假设所述第二角度(eSTU)为零。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述基准物体(30)与所述测量物体 (16)相同。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述基准图像(I》形成与测量图像的空时体积 (Vffl)相等同的基准图像的空时体积(V》。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述基准物体(30)包括第一部分和第 二部分，所述第一部分(32)和第二部分(34)具有不同的反射性质。
8.如权利要求7所述的方法，其中，该方法包括确定从所述基准图像(I》产生的所述 基准物体(30)的三维图像中的伪像(36，，36”)的量的测量结果的步骤，所述方法还包括下述步骤a)假设所述轨道(R)的延伸；以及b)当使用所述假设的延伸时确定伪像(36’，36”)的量的所述测量结果，其中，重复步骤a)和b)，直到所述测量结果低于预定阈值或达到最小值。
9.如权利要求8所述的方法，其中，伪像(36’，36”)的量的所述测量结果通过计算所 述基准物体(30)的所述三维图像中的计算的高度轮廓值的方差来确定。
10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，该方法包括形成所述基准图像的基准 空时体积OO的步骤，所述方法还包括下述步骤a)假设所述轨道(R)的延伸；b)分析沿所述基准空时体积(V中的所述假设的轨道(R)的延伸的光强分布(38)，并 估计所述分布(38)的中心(40)和对称比率(SR)，其中，具有低对称比率(SR)的分布(38) 比具有高对称比率(SR)的分布关于所述中心(40)更为对称，其中，重复步骤a)和b)，直到所述对称比率(SR)低于预定阈值或达到最小值。
11.如权利要求10所述的方法，其中，估计所述分布(38)的对称比率(SR)的所述步 骤包括比较两个轨道点(PR1，PR2)的光强值的步骤，所述轨道点(rai，ra2)沿所述假设的 轨道(R)在所述光强分布(38)的所述中心(40)的每一侧与所述中心(40)相距预定距离 (d)，并且基于所述两个轨道点(PR1，PR2)的光强之差确定所述对称比率(SR)。
12.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述入射光(18)具有呈基本单色光的 区域，所述方法还包括测量所述基准图像(I》中的至少一个点的视移动的步骤，其中，所述 轨道(R)的所述延伸由跟踪所述特征点通过所述基准图像来估计。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述基准物体包括在所述传感器的视野中的具 有较大对比度变化的部分。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述部分包括镜面结构以便促进所述视移动的 所述测量。
15.如权利要求12-14中任一项所述的方法，其中，使用正交滤波器执行所述运动估计。
16.一种通过测量系统(10)确定测量物体(16)的特性的方法，该测量系统(10)包 括第一光源(12)和传感器(14)，所述方法包括如下步骤在所述第一光源(12)照射所述 测量物体(16)的同时相对于所述测量系统(10)沿第一移动方向(Y)移动所述测量物体 (16)，由此所述传感器(14)在一组至少两个后续时刻(tftj中的每一时刻产生所述测量 物体(16)的测量图像(Im)，由此产生测量图像的空时体积(Vm)，所述方法还包括通过确定 沿所述空时体积(Vm)中的轨道(R)的所述反射光(20)强度的峰的位置来识别所述测量物 体(16)的特征点(28)的步骤，其特征在于，使用如权利要求1-15中任一项所述的方法确 定所述轨道(R)的延伸。
17.如权利要求16所述的方法，其中，确定从所述测量物体发出的所述光的强度的所 述峰的所述位置的步骤通过估计沿所述轨道的光强分布来执行，其中，所述峰通过估计所 述光强分布的重心来确定。
18.如权利要求16或17所述的方法，其中，确定所述轨道的所述延伸的方法以及确定 所述测量物体的特性的方法是使用所述测量系统的同一运行的结果来执行的。
19.如权利要求16-18中任一项所述的方法，其中，通过所述方法要确定的所述特性包 括所述测量物体的三维轮廓。
20.一种计算机程序产品，其特征在于，它包括计算机程序，所述计算机程序包含可在 计算机或处理器中可执行以实现如权利要求1-19中任一项所述的方法的步骤的计算机程 序代码，所述产品存储在计算机可读介质或载波上。
21.一种电子控制单元(24)，其特征在于，它包括如权利要求19所述的计算机程序 产品，并用于执行如权利要求1-15中任一项所述的轨道延伸确定方法和/或如权利要求 16-19中任一项所述的特性确定方法。
22.一种测量系统(10)，包括第一光源(12)和传感器(14)，其特征在于，所述测量系统 包括如权利要求21所述的电子控制单元(24)。
23.如权利要求22所述的测量系统，其中，所述测量系统还包括第二光源(46)，其中所 述第一光源(12)用于产生具有基本单色光的区域。
24.如权利要求22或23所述的测量系统，其中，所述传感器(14)用于同时产生两个子 图像，其中，一个子图像用于如权利要求16-19中任一项所述的确定所述测量物体的特性 的方法，其中，第二子图像用于如权利要求1-15中任一项所述的确定轨道的延伸的方法。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定测量图像的空时体积中的轨道的延伸的方法。测量图像的空时体积通过使用测量系统的测量方法来产生，其中测量系统包括第一光源和传感器。测量方法包括如下步骤在所述测量系统的预定工作条件下，在第一光源照射测量物体的同时相对于测量系统沿第一移动方向移动测量物体，由此传感器在一组至少两个后续时刻中的每一时刻产生测量物体的测量图像，由此产生所述测量图像的空时体积，其中，测量物体的特征点映射到空时体积中的轨道。
文档编号G01B11/24GK101939618SQ200880116159
公开日2011年1月5日 申请日期2008年11月12日 优先权日2007年11月15日
发明者B·本德瑞斯, H·特贝尔, M·约翰尼森 申请人:西克Ivp股份公司