本实用新型总体上涉及用于物体尺寸测量的三维测量方法和装置，具体涉及用于测量物体尺寸的图案投射模组、用于测量大致长方体物体的尺寸的三维信息获取系统、三维信息处理装置以及用于测量大致长方体物体尺寸的三维测量方法。
背景技术：
物流行业近年来飞速发展，在储存、运输和计费诸多环节中需要物流包裹(通常用纸箱包装)的三维尺寸。传统的手工测量和记录显然不能满足要求。有一些库房采用了工业三维扫描设备。工业三维扫描设备大多使用线结构光扫描技术，精度高，但是需要固定的安装和测量环境，扫描时要求被测物体位置不能移动，而且价格高昂。
市面上出现一些可供人们日常使用的三维传感设备，例如微软的Kinect体感传感器。这些设备大多采用红外散斑结构光或TOF(time of flight)技术，可以构造为便携式的，但是测量误差较大，大约为2～10％的范围，不能准确、稳定地测量包裹三维尺寸，而且成本仍然较高。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种新型的三维测量方案，特别是适用于大致长方形形状的物体(例如物流包裹)尺寸测量的三维测量方案，其至少部分地解决了现有技术中存在的上述问题。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种用于测量物体尺寸的图案投射模组，其包括：相干光源；以及图案生成器，所述图案生成器包括衍射光学元件并且设置在从所述相干光源向物体传播的照明光的光路中，用于基于所述照明光生成要被投射到物体上的测量用图案，该测量用图案包括至少两条线条，所述线条在测量用图案中相交形成至少一个中央交点。
根据本实用新型的另一个方面，提供了一种用于测量大致长方体物体的尺寸的三维信息获取系统，所述系统包括：如上所述的图案投射模组，用于向位于目标区域中的物体投射所述测量用图案；以及成像单元，该成像单元包括至少一个相机，用于获取投射有所述测量用图案的、所述物体的图像，所述图案投射模组和所述成像单元相对于彼此具有确定的位置。
通过采用包括至少两条线条且线条相交形成至少一个中央交点的测量用图案，根据本实用新型的模组、系统、方法和装置有助于实现对物体，特别是大致长方体形状物体的快速、高精度尺寸测量。此外，基于上述测量用图案的三维测量装置能够实现便携化，而且制造成本低。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为根据本实用新型实施例的三维信息获取系统的示意性框图；
图2为根据本实用新型实施例的图案投射模组的示意性结构图，示出了两种不同的构造方式；
图3示意性地示出了根据本实用新型实施例的三维信息获取系统实现为手持式测量设备；
图4A和图4B分别示出了根据本实用新型实施例的三维信息获取系统中图案投射模组与成像单元的两种布置方式；
图5示意性地示出了根据本实用新型实施例的三维信息获取系统的一个应用例；
图6示出了根据本实用新型实施例的三维测量方法的示意性流程图；
图7示出了根据本实用新型实施例的图案投射模组投射出的测量用图案的一个示例；
图8示意性地示出了其上投射有图7所示测量用图案的物体；
图9A、图9B和图9C分别示出了图7所示测量用图案的不同变型；
图10示出了根据本实用新型实施例的图案投射模组投射出的测量用图案的另一个示例；
图11示意性地示出了其上投射有图10所示测量用图案的物体；
图12为示意图，其中标示了通过图像处理计算物体空间方位所利用的物体顶角部分；
图13示出了图10所示测量用图案的一种变型；
图14示意性地示出了其上投射有图13所示测量用图案的物体；
图15和图16分别示出了可用于根据本实用新型实施例的三维测量方法的测量用图案的另外两个示例。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
首先，参照图1至图5介绍根据本实用新型实施例的三维信息获取系统10。图1为三维信息获取系统10的示意性框图。
如图1所示，三维信息获取系统10包括图案投射模组11和成像单元12，其中图案投射模组11用于向位于目标区域中的物体投射测量用图案，成像单元12包括至少一个相机(未示出)，用于获取所述目标区域中被投射了测量用图案的物体图像。成像单元12相对于图案投射模组11具有确定的位置关系，这将在下文中参照图4A和图4B更加详细地介绍。
图2示意性地示出了图案投射模组11的构造，如图所示，图案投射模组11包括相干光源11a和图案生成器11b。相干光源11a可以为激光器，例如红光激光器。图案生成器11b优选包括衍射光学元件(DOE)，图案生成器11b设置在从相干光源11a向物体传播的照明光的光路中，用于基于照明光生成要被投射到物体上的测量用图案。在根据本实用新型实施例的三维信息获取系统中，图案投射模组的图案生成器所生成的测量用图案包括至少两条线条，所述线条在测量用图案中相交形成至少一个中央交点，这将在下文中参照例如图7、图9、图10、图15和图16更加详细地介绍。本申请中，测量用图案为由图案投射模组11投射出的、在垂直于照明光传播光路的平面上获取的图案。
图2的(a)中示出了图案投射模组11的一种示例性构造，其中作为相干光源11a的激光器为垂直腔面发射激光器(VCSEL)，激光器11a的激光发射面正对着图案生成器11b(例如衍射光学元件)布置；在图2的(b)中示出了另一种示例性构造，其中，作为相干光源11a的激光器为边缘发射激光器，为了将来自边缘发射激光器的激光导向图案生成器11b，图案投射模组11还可以包括光路偏转元件11c，例如反射镜或反射棱镜等。
如图3所示，根据本实用新型实施例的三维信息获取系统10可以实现为手持式测量设备，用于测量大致长方体形状物体OB的三维尺寸。使用时，将手持式测量设备10保持为以一定的俯角对着物体OB，使得图案投射模组10将测量用图案投射在物体OB的顶面P1以及第一侧表面P2和第二侧表面P3上，第一侧表面P2和第二侧表面P3为与顶面P1邻接并且彼此邻接的两个侧表面(参见图8、图11和图14)。与此同时，操作者可以控制(例如通过按键)成像单元12，拍摄投射有该测量用图案的物体OB的图像。该图像可以被用于后续处理，以提取该物体OB的三维信息。
图4A和图4B分别示出了根据本实用新型实施例的三维信息获取系统10中图案投射模组11与成像单元12的两种布置方式。在图4A所示布置中，图案投射模组11的投射中心轴CA与成像单元12的光轴OA彼此平行，并且图案投射模组11与成像单元12相距一定距离(该距离又称基线距离)。在图4B所示布置中，图案投射模组11与成像单元12仍然相距一定距离(该距离又称基线距离)，但是图案投射模组11的投射中心轴CA与成像单元12的光轴OA彼此不平行。
本领域技术人员应该理解，无论采取以上哪一种布置方式，根据测量用图案中的一个特征点在该图案中的位置、该特征点在成像单元12所获取的图像中的位置以及图案投射模组11与成像单元12之间的确定的位置关系(包括投射中心轴CA与光轴OA的夹角以及图案投射模组11与成像单元12的间距)，能够计算出该特征点在物体上的投射位置的空间位置(这里空间位置是相对于成像单元12的相机坐标系而言的)。
图案投射模组11与成像单元12之间的相对位置关系，可以在安装过程中设定，也可以在安装之后通过标定过程来确定，本实用新型在该方面不受限制。
图5示意性地示出了三维信息获取系统10的一个应用例，其中成像单元12由集成于例如手机、PDA或者平板电脑等便携式装置中的相机12a构成，图案投射模组11通过一安装支架14安装至该便携式装置上，从而相对于成像单元12可拆卸地安装固定。安装支架14例如具有两个相对的弹性夹持臂，用于固定至便携式装置上。图案投射模组11可以可拆卸地安装到该安装支架14上，也可以与安装支架14集成在一起。在一些实施例中，图案投射模组11可以包括集成在便携式装置中的激光光源11a以及安装或者集成在安装支架14上的图案生成器11b。
应该理解的是，尽管如参照图3和图5所述，根据本实用新型实施例的三维信息获取系统10适合于实现为手持式设备/便携式设备，但是其也可以实现为安装在固定位置并在该固定环境中使用的设备，例如固定安装在库房或者物流分拣系统中的检测设备。
下面将结合图6至图16介绍根据本实用新型实施例的三维测量方法以及可用于该方法的测量用投射图案。
图6示出了根据本实用新型实施例的三维测量方法100的示意性流程图。三维测量方法100适合于测量大致长方体形状的物体的三维尺寸，其包括以下处理：
S110：利用图案投射模组向所述物体投射测量用图案，该测量用图案包括至少两条线条，所述线条在所述测量用图案中相交形成至少一个中央交点，并且所述投射使得所述中央交点被投射在所述物体的顶面上，并使得所述线条被投射在所述顶面和与顶面邻接的第一和第二侧表面上，所述线条与所述顶面的边缘相交形成上边缘交点，并与所述第一和第二侧表面中的至少一者的下边缘相交形成的下边缘交点；
S120：利用相对于所述图案投射模组具有确定的相对位置的成像单元，获取其上投射有所述测量用图案的物体的图像，所述图像显示所述物体的所述顶面以及第一侧表面和第二侧表面；
S130：确定所述中央交点、上边缘交点和下边缘交点在所述图像中的位置；
S140：至少部分地基于所述中央交点和上边缘交点计算所述物体的长度和宽度；以及
S150：至少部分地基于所述下边缘交点计算所述物体的高度。
返回参照图1，如图所示，根据本实用新型实施例的三维信息获取系统10还可以包括处理单元13，处理单元13接收来自成像单元12的所述图像，并配置为基于该图像执行上述三维测量方法100中的处理S130～S150。处理单元13可以包括处理器13a和存储程序指令的存储器13b，所述程序指令由处理器13a执行，以使得所述处理器13a执行处理S130～S150。
在一些实施例中，处理单元13也可单独构成三维信息处理装置。
在一些实施例中，处理单元13可以与图案投射模组11和/或成像单元12集成在同一硬件设备中，例如如图5所示，可以与成像单元12集成在手机中。在另一些实施例中，处理单元13也可以提供在与图案投射模组11和/或成像单元12以有线和/或无线的方式连接通信的分立的设备上，例如云端服务器。
以下将结合图7和图8介绍三维测量方法100的第一实施方式以及可用于该第一实施方式的测量用图案。
图7示出了可用于三维测量方法100的第一实施方式的测量用图案PA10。如图7所示，测量用图案PA10包四条线条L11、L12、L21、L22，其中线条L11、L12彼此平行，构成一组平行线，线条L21、L22彼此平行，构成另一组平行线，线条L11、L12与线条L21、L22在测量用图案中形成四个中央交点a1、a2、a3、a4。
图8示意性地示出其上投射有测量用图案PA10的物体。根据三维测量方法100，在处理S110中，利用图案投射模组向所述物体投射测量用图案。在图8所示优选示例中，在处理S110中，投射测量用图案PA10，使得中央交点a1、a2、a3、a4被投射在物体OB的顶面P1上，并使得线条L11、L12被投射在顶面P1和第一侧表面P2上，线条L21、L22被投射在顶面P1和第二侧表面P3上，从而与顶面P1的边缘相交形成上边缘交点b1～b8，与第一和第二侧表面P2、P3的下边缘相交形成下边缘交点c1～c4。
由于结合参照图3，可以看到，由于图案投射模组11以一定的俯角向物体上投射测量用图案，而测量用图案为由图案投射模组11投射出的、在垂直于照明光传播光路的平面上获取的图案，所以投射到物体顶面上的图案中的线条的夹角会发生变化。为了便于线条L11、L12与线条L21、L22能够与物体顶面P1的四个边缘都相交，在一些优选实施例中，线条L11、L12与线条L21、L22形成的非钝角夹角α满足30°≤α≤90°，优选50°≤α≤70°，更优选α＝60°。
此外，为了使线条L11、L12与线条L21、L22被投射到物体的顶面以及第一和第二侧表面的下边缘，根据本实用新型实施例的图案投射模组11中的图案生成器11b，例如衍射光学元件，构造为在沿线条的长度方向上以不小于20°，优选以不小于30°的张角投射所述测量用图案。如果所述投射张角过小，则投射出的线条很可能难以覆盖/跨越物体顶面的边缘以及第一和第二侧表面的下边缘，从而不能形成用于根据本实用新型实施例的三维测量方法中的上边缘交点和下边缘交点。
在投射测量用图案的同时，利用成像单元12获取其上投射有测量用图案PA10的物体OB的图像(处理S120)。所述图像显示物体的顶面以及第一侧表面和第二侧表面。
在处理S130，处理成像单元12获取的所述图像，检测图像中的中央交点a1、a2、a3、a4、上边缘交点b1～b8和下边缘交点c1～c4，确定各个交点在图像中的位置。
在一些实施例中，可以通过在所述图像中提取对应于上边缘交点和/或下边缘交点的特征点来确定上边缘交点和/或下边缘交点在所述图像中的位置。
在另一些实施例中，可以检测测量用图案的线条在两个相邻接的表面上投影形成的直线，并计算两条直线的交点，作为所述线条与所述这两个表面共有的边缘相交形成的上边缘交点或下边缘交点。例如，在图8所示示例中，例如，可以检测出线条L12在顶面P1上投影形成的直线以及在第一侧表面P2上投影形成的直线，并计算这两条直线的交点，作为线条L12与顶面P1和第一侧表面P2的共有边缘的交点，上边缘交点b1。这种边缘交点的检测方式对于物体的边缘处有圆角、缺损或发生变形而使得测量用图案中的线条与该边缘不能形成清晰或位置准确的交点的情况下尤其有利，其有助于避免上述情况下的测量误差，提高测量精度。
在一些实施例中，图案投射模组11可以以频闪的方式间歇地投射测量用图案，并且成像单元12被控制以分别获取物体的投射有测量用图案的图像和未投射有测量图案的图像。这样，在图像处理过程中，通过比较投射有测量用图案的图像和未投射有测量图案的图像，可以更加快速以及/或者更加准确地检测到投射在物体上的测量用图案，从而检测出中央交点、上边缘交点和下边缘交点。
在图8所示示例中，在处理S140中，可以进行以下处理：
基于中央交点a1、a2、a3、a4中的至少三个在所述图像中的位置、所述至少三个中央交点在测量用图案中的位置以及图案投射模组11与成像单元12之间的所述确定的位置关系，利用三角测量法，计算所述至少三个中央交点的空间位置；
基于所述至少三个中央交点的空间位置确定物体OB的顶面P1的空间位置(三点确定一个平面)；以及
基于顶面P1的空间位置和上边缘交点b1～b8在图像中的位置，计算所述顶面的长度和宽度。
其中，在一些实施例中，基于顶面P1的空间位置和上边缘交点b1～b8在图像中的位置，可以首先计算出上边缘交点的空间位置。
在图8所示示例中，由于同一组平行线，线条L11、L12或线条L21、L22，与顶面P1的同一边缘相交形成的两个上边缘交点，所以可以基于这两个上边缘交点计算出所述同一边缘的位置(两点确定一条直线)。
在一些实施例中，可以基于物体的顶面P1的四个边缘的位置，计算出顶面的四个顶点的位置，从而计算出顶面的长度和宽度。
在图8所示示例中，在处理S150中，可以进行以下处理：
基于顶面P1的空间位置、第一和第二侧表面P2、P3与顶面相互垂直的位置关系、以及顶面P1与第一和第二侧表面P2、P3共有的边缘的位置，计算第一和第二侧表面P2、P3的空间位置；
基于下边缘交点c1～c4，计算第一和第二侧表面P2、P3的下边缘的位置；以及
基于第一和第二侧表面P2、P3的空间位置以及它们的下边缘的位置，计算物体OB的高度。
在一些实施例中，可以基于第一和第二侧表面P2、P3的下边缘的位置，计算出第一和第二侧表面的下边缘的交点，从而计算出物体的高度。
以上结合图7和图8介绍了三维测量方法100的第一实施方式，以及可用于该实施方式的测量用图案的一个示例。然而，三维测量方法100的第一实施方式并不限于采用图7所示的测量用图案PA10。图9A、图9B和图9C分别示出了测量用图案PA10的不同变型。
图9A示出的测量用图案PA11中，线条可以包括若干个间断开的线段部分，例如形成为“虚线”形式的线条。这样的线条所形成的中央交点以及/或者上/下边缘交点可以通过计算两条直线的交点来确定。
在测量用图案10的相交线条图案的基础上还可以结合散斑图案，以帮助观察或测量物体相对于长方体形状的变形，特别是用于测量物体边缘处的变形，以提高尺寸测量的精度。例如，图9B所示的测量用图案PA12中，结合了呈阵列排布的散斑SP1。优选地，散斑分布在以两组平行线的四个中央交点为顶点的菱形区域以外的区域内。在三维测量方法100的一些优选的实施例中，该方法还可以包括在物体的顶面P1上设置具有已知尺寸的标签，例如条形码或二维码等，在投射测量用图案时，将所述四个中央交点为顶点的空白菱形区域对准该标签，并在后续图像处理和计算中，利用该具有已知尺寸的标签对尺寸测量结果进行校正。此外，也可以采用如图9C所示的测量图案PA13，其中结合了不规律分布的散斑SP2。散斑图案优选为阵列排布或者以其他方式规律地排布的散斑。
以下将结合图10至图12介绍三维测量方法100的第二实施方式以及可用于该第二实施方式的测量用图案。
图10示出了可用于三维测量方法100的第二实施方式的测量用图案PA20。如图10所示，测量用图案PA20包括两条线条L1、L2，它们在测量用图案PA20的范围内形成一个中央交点a。
图11示意性地示出其上投射有测量用图案PA20的物体。在图11所示示例中，在三维测量方法100的处理S110中，测量用图案PA20被投射向大致长方体形状的物体，使得中央交点a被投射在物体顶面P1上，并使得线条L1被投射在顶面P1和第一侧表面P2上，线条L2被投射在顶面P1和第二侧表面P3上，从而与顶面P1的边缘相交形成上边缘交点b1～b4，与第一和第二侧表面P2、P3的下边缘相交形成下边缘交点c1、c2。
类似于测量用图案PA10，在一些优选实施例中，测量用图案PA20中的线条L1、L2形成的非钝角夹角α满足30°≤α≤90°，优选50°≤α≤70°，更优选地α＝60°。
此外，为了使线条L1、L2被投射到物体的顶面以及第一和第二侧表面的下边缘，根据本实用新型实施例的图案投射模组11中的图案生成器11b，例如衍射光学元件，构造为在沿线条的长度方向上以不小于20°，优选以不小于30°的张角投射测量用图案PA20。
在投射测量用图案的同时，利用成像单元12获取其上投射有测量用图案PA20的物体OB的图像(处理S120)。
在三维测量方法100的第二实施方式中，处理S130可以以与测量三维方法100的第一实施方式相同的方式来进行，在此不再赘述。
在三维测量方法100的第二实施方式中，在处理S140中，可以通过图像处理的方法，提取图像中物体OB的特征点，在二维图像中重构物体OB的边缘和顶点，特别是图12所标示出的顶点A、B、C、D和边缘AB、边缘BC和边缘BD，然后基于物体顶面P1与第一和第二侧表面P2、P3之间彼此垂直的位置关系，计算出例如顶面P1相对于相机的空间角度。根据本实用新型实施例，上边缘交点b1～b4可以作为上述重构过程中的关键特征点，例如可以要求重构的顶面边缘必须经过相应的上边缘交点b1～b4。在一些实施例中，计算中央交点a的空间位置，并基于顶面P1的空间角度和中央交点a的空间位置，计算顶面P1的空间位置，从而计算出顶点A、B、C的空间位置，从而计算出物体(顶面P1)的长度和宽度。
在一些实施例中，在处理S150中，可以基于边缘BD相对于边缘AB和边缘BD的垂直关系，以及顶点D在图像中的位置，计算顶点D的空间位置，从而计算出物体的高度(边缘BD的长度)。根据本实用新型实施例，下边缘交点c1、c2可以用于校正顶点D的位置，例如，利用第一和第二侧表面的下边缘与上边缘的平行关系。
应该理解的是，以上对处理的描述，特别是对处理S140和S150的具体操作的描述仅仅是示例性的，而非限制性的，例如其中所采用的具体计算方法和步骤可以有各种变型，这是本领域技术人员根据本领域常识就能够做出的，而本实用新型在此方面不受限制。
图13示出了测量用图案PA21，其为图10所示测量用图案的一种变型。测量用图案PA21中，彼此相交的两条线条上形成有间断部分，线条在所述间断部分处的端点可以视为特征点。如图13所示，测量用图案PA21可以包括中央交点a1和四个特征点a2～a5。
如图14所示，在处理S110中，可以投射测量用图案PA21，使得中央交点a1和四个特征点a2～a5被投射在物体的顶面P1上。
根据本实用新型实施例，当结合采用测量用图案PA21时，三维测量方法100可以以不同于其第一实施方式和第二实施方式中的方式来实现。例如，在一些实施例中，可以基于中央交点a1和四个特征点a2～a5在测量用图案PA1中的位置和在图像中的位置，以及基于图案投射模组11与成像单元12的所述确定的位置关系，计算中央交点a1和四个特征点a2～a5的空间位置，从而计算物体顶面P1的空间位置。在一些实施例中，可以利用上边缘交点和下边缘交点以及在相应边缘上通过图像处理提取的其它特征点，重构/确定所述边缘。其它具体处理是本领域技术人员根据上述介绍和本领域常识可以容易地想到的，在此不再赘述。
最后，图15和图16分别示出了可用于根据本实用新型实施例的三维测量方法的测量用图案的另外两个示例。
图15示出测量用图案PA30，其中包括三条线条L1、L2、L3，它们分别交于中央交点a1、a2、a3。当基于该测量用图案PA30实施根据本实用新型实施例的三维测量方法时，可以基于中央交点a1、a2、a3计算物体顶面的空间位置，并且利用线条L1、L2、L3与物体边缘形成的交点(上边缘交点或下边缘交点)或这些交点与图像中提取的位于边缘上的其它特征点的组合，计算/确定物体的边缘，从而计算物体的长度、宽度和高度。
图16示出测量用图案PA40，其中包括两组平行线，每组平行线包括三条线条。可以看到，测量用图案PA40能够提供可用于计算物体顶面空间位置的、冗余的中央交点，并且能够提供可用于确定物体边缘的冗余的上边缘交点和/或下边缘交点。这对于例如被检测物体例如存在缺损或变形的情况(这对于物流包裹是常见的)尤为有利。例如，可以通过最小二乘法，利用冗余数量的中央交点或上/下边缘交点拟合出顶面和边缘，提高尺寸测量精度。
然而，应该理解的是，如果中央交点和上/下边缘交点的数量过多，则需要应用一定的结构光编码技术来识别不同的交点，反而使得测量速度变慢，错误率上升。因此，根据本实用新型实施例，优选测量用图案中包括的线条数量不超过10条，更优选线条数量不超过6条，形成的中央交点数量不超过9个。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。