用于光学扫描和测量环境的装置的制造方法
【专利说明】用于光学扫描和测量环境的装置
[0001]本发明涉及具有权利要求1所述的通用术语的特征的装置。
[0002]从US 6，826，299 B2得知这种装置。投影仪将光图案投射到要被扫描的对象的表面。通过经投射、编码的图案来确定投影仪的位置。两个(或更多个)摄像机可以记录具有另一未编码的图案的表面的图像,其中已知或已确定所述两个(或更多个)摄像机的相对位置和对准性。可以通过本来公知的数学方法,例如核面几何来确定(图案的点的)三维坐标。
[0003]根据游戏领域,扫描仪被认为是跟踪装置，其中,投影仪将编码的光图案投射到要追踪的目标上，以随后用摄像机记录该编码的光图案并且确定用户的坐标，其中所述对象优选地是正在玩的用户。
[0004]US 8，238，611 B2公开了一种用于扫描场景的系统,包括距离测量。该系统在其最简单的形式下包括具有两个摄像机的摄像机单元，所述摄像机可选地具有滤波器，以用于目标区域的立体配准；用于优选地通过衍射光学元件在目标区域中生成图案的照明单元；以及同步单元，其使得照明单元和摄像机单元同步。摄像机单元和照明单元可以被装配在可选的相对位置中。可选地，也可以使用两个摄像机单元或两个照明单元。
[0005]本发明基于改进引言中提到的那种类型的装置的目的。根据本发明，通过具有权利要求I所述的特征的装置来实现该目的。从属权利要求涉及有益的配置。
[0006]与编码的图案相比,能够更容易地产生未编码的图案,例如作为光点的规则图案。然后，为了记录具备图案的对象的图像以及为了获得图案的光点的明确的对应关系,使用两个(或更多个)摄像机。以不共线的方式而是以三角形布置的方式布置两个摄像机和投影仪。因此,可以使用三个核面几何形状，以确定摄像机图像中的图案之间的对应关系。当已知这些对应关系时，可以确定点云的三维坐标，即，3D扫描。
[0007]优选地,不在可见光波长范围内产生图案,而是在红外线范围(700纳米至I毫米)内产生图案。当可以在可见光波长范围内滤除散射光和其它千涉时，两个摄像机在该波长范围内具有相应的敏感度。可以设置彩色摄像机以作为用于颜色信息的第三摄像机，这种摄像机也记录要被扫描的对象的图像。可以用如此获得的颜色信息对3D扫描着色。
[0008]手持式扫描仪从不同的位置产生同一场景的多个3D扫描。静止图案有助于公共坐标系中的不同的3D扫描的配准,其中能够由不同的3D扫描捕获所述静止图案。当手持式扫描仪被移动并且处在不同的位置时，静止图案相对于对象停止工作。可以将对象的表面的自然纹理和其它结构,例如边缘用作静止图案,通过作为第三摄像机的彩色摄像机来捕获这样的纹理,或者(另外地或可替选地)使用由分立的(外部的)投影仪产生投射图案。该静止图案在几何形状、时间或光谱方面可以有别于由手持式扫描仪产生的图案。
[0009]可以想到具有三个(或更多个)摄像机以及多个投影仪的模块化设计，通过该模块化设计,通过投射并且记录具有不同的点密度和横向分辨率的图案的图像来实现取决于应用的需求。
[0010]可以通过以下方法来实现图案的产生:偏转法，例如通过衍射光学元件或微透镜(或单个激光器)的产生；或者明暗处理法,例如通过遮板、幻灯片(因为幻灯片将被用在幻灯片投影仪中)以及其它遮光板的产生。偏转法的优点在于丢失更少的光并且因此可得到较高的强度。
[0011]在本发明中，手持式扫描仪被设计为便携式扫描仪，即，它高速工作且具有小重量。然而,还可以将手持式扫描仪安装在三脚架上(或者另一架子上)、安装在可手动移动的台车(或另一手推车)上、或者安装在自主移动的机器人上，即不由用户携带手持式扫描仪一可选地还通过使用另一壳体，例如没有手柄部的壳体来承载手持式扫描仪。因此，概念“手持式扫描仪”必须具有广泛释义，从而概念“手持式扫描仪”通常包括被配置成紧凑单元的扫描仪。
[0012]手持式扫描仪的操作可以在一系列帧或者视频中引起闭环,尤其在对象O被环绕时。优选地，该闭环被自动识别并且被用于校正潜在的测量误差。为此，优选地，针对多个中贞中的任何1I1贞均形成一个平截头体(frustum),这样的平截头体包含表不3D扫描的三维点云的点的某一部分,其中根据帧来确定3D扫描并且将其分配给所述帧。形成最新的帧的平截头体与多个过去的帧的平截头体的交集，其中，选择具有主要交集的过去的的平截头体。可以通过搜索、比较和确定特征来识别闭环。
[0013]为了减少要被手持式扫描仪保存和/或传输的数据的量，优选地(在后处理中)对邻近帧进行平均化，优选地通过将二维结构的数据量划分成帧的组并且通过该组中的帧来进行平均化。
[0014]下面根据附图中图示的示例实施方式来更加详细地说明本发明，在附图中:
[0015]图1示出了装置的示意性图示；
[0016]图2示出了通过衍射光学元件产生图案的示意性图示；
[0017]图3示出了一个图案及另一图案；
[0018]图4示出了投影仪平面、图像平面以及核线的示意性图示；
[0019]图5示出了平均化的示意性图示；以及
[0020]图6示出了闭环的示意性图示。
[0021]手持式扫描仪100被设置成装置的便携式部分,所述装置用于光学扫描和测量该手持式扫描仪100的环境。手持式扫描仪100具有基部104、从基部104突出的手柄部106，在正常使用的情况下该手柄部106朝上；以及被设置在手柄部106上的头端108,在正常使用的情况下该头端108在手柄部106的上端。手持式扫描仪100的用户可以通过手柄部106握住手持式扫描仪100,配置该手柄部106以携带手持式扫描仪100大步穿过环境，以及在该环境中使手持式扫描仪100与对象O对准。
[0022]第一摄像机111和第二摄像机112被布置在头端108中，以定义的距离彼此间隔开。按照使得对象O的立体图像和视场重叠是可能的方式调节或者能够调节第一摄像机111与第二摄像机112彼此的对准。如果固定对准,则存在取决于应用的最佳的重叠范围。至于准确度，与投影仪到摄像机的距离相似的重叠范围会是有利的。取决于典型的环境情况,几分米或几米的范围也可以是优选的。可替选地，可以由用户，例如通过围绕与手柄部106平行的旋转轴相反地枢转摄像机111和摄像机112来调节对准。如果跟踪用户的调节过程,则手持式扫描仪100在任何时间都可以已知该对准,或者初始对准是随机的(以及未知的)，并且然后通过校准使手持式扫描仪100已知该对准。
[0023]第一摄像机111和第二摄像机112优选地是单色的，也就是说,例如通过使第一摄像机111和第二摄像机112配置有相应的滤波器而使其对窄波长范围敏感,其中，滤波器随后滤除其它的波长范围，包括散射光。这种窄波长范围优选地在红外范围内。然而，为了获得关于对象O的颜色信息,彩色摄像机113优选地被布置在头端108中，优选地与第一摄像机111和第二摄像机112对称地对准,并且被布置在第一摄像机111和第二摄像机112的中心处。然后，彩色摄像机113对可见光波长范围敏感。
[0024]手持式扫描仪100具有优选地被配置成触摸屏的显示和控制单元115。显示和控制单元115优选地被布置在头端108处，位于背向摄像机111、摄像机112以及摄像机113(如果有的话)的一侧上。显示和控制单元115可以被配置成是可拆卸的。摄像机111、摄像机112和摄像机113 (如果有的话)以及显示和控制单元115被连接至控制和评估单元118,控制和评估单元118优选地被布置在头端108中。控制和评估单元118优选地可以预处理摄像机111、摄像机112以及摄像机113(如果有的话)的数据,可选地已产生3D扫描并且将适当的视图提供到显示和控制单元115。可替选地，根本不存在