CN101416022B - 用于测量反射表面形状的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于测量反射表面(14)的形状的方法和相应的系统，所述系统具有用于在反射表面(14)上反射的至少一个图形(15)和用于逐像素地观察在表面(14)上反射的图形(15)的至少一个摄像机(1)，其中摄像机(1)和图形(15)的位置和取向是已知的。为了以较小的装置复杂度可靠地测量反射表面的形状，利用摄像机(1)的观察方向和图形(15)的位置确定表面角和表面高度，从而测量所述形状，其中所述摄像机(1)的观察方向对于像素(8)而言是已知的，并且所述图形(15)的位置对应被反射的图形(15)在摄像机(1)的像素(8)上的映射。

Description

用于测量反射表面形状的方法和系统
技术领域
本发明涉及用于测量反射表面形状的方法和系统，为此设有用于在反射表面上反射的至少一个图形和用于逐像素观察表面的至少一个摄像机，其中摄像机和图形的位置和取向是已知的。另外，描述了一种用于系统校准的方法，其具体可用于确定摄像机和图形的位置和取向。形状的测量以及校准也可以用常规方法来实现。
背景技术
其中由反射表面反射形状和位置已知的图形并且由摄像机观察和评估该镜像的这类方法已知可被用于测量反射表面的形状。例如，DE 197 57106 A1描述了一种用于自动测量球形或非球形反射表面区域的形状的装置。为此目的，在待测表面区域对面设置被照亮的漫散射图形，其中通过反射表面区域形成的图形图像由电子摄像机记录。该图形被选择成在摄像机的图像传感器上形成由近似直线并且等距的条带构成的图像，该图像能够通过离散傅立叶变换以极高的精度得到评估。为了能够在任意空间方向上测量该表面，在图像传感器上形成的条带系统必须具有彼此正交设置的条带。
从DE 103 45 586 A1中公开了一种用于确定表面结构的方法和装置，其中平面图形由图像产生器产生并且在该表面上发生反射。反射的图形由图像记录器成像，并且随后由控制器进行评估。为了能够简单、廉价并且快速地对物体表面进行面积测量，由图像产生器逐像素地接连产生多个具有面积结构的面积图形，其中两个图形的结构具有不同的尺寸，并且两个图形的各个像素分别具有规定的位置。由于通过这种方法不再能够记录条带图形的细小条带，因此相对较宽的条带被用于该条带图形，这些相对较宽的条带具有正弦形状的亮度特性。这些图形形成在TFT监视器上。
DE 101 27 304 A1描述了一种用于确定物体反射表面的三维轮廓的方法和装置，其中物体表面上的已知栅格的反射通过成像系统成像在接收器上，并且所产生的图像被评估。为此目的，提出要使用与反射表面具有至少两个不同距离的已知栅格，其中必须知道在该空间中栅格与接收器之间的相对位置。
在所有这些方法中，假定测量系统的位置和取向事先已通过合适的校准方法确定，并且因此是已知的。这在待测表面较小的情况下能够实现。然而，如果要以足够的精度和现代生产工艺所要求的速度对较大区域进行测量，通常需要使用多个摄像机，这些摄像机优选地应设置在图形内。为了测量大的表面，在反射表面上反射的图形必须具有足够大的尺寸。由于图形也必须是可更换的，因此图形常常是以图像的形式被投影在屏幕上。然而，因此在表面区域较大的情况下需要大量空间，而这常常是不可获得的。另外，平面屏幕被用于产生图形，其中为了产生具有较大面积的图形，常常要使用多个屏幕，并且需要借助复杂的校准方法针对所使用的每个单独的摄像机对这些屏幕进行校准。另外，在使用多个屏幕和摄像机时，需要找到如何能够实现从一个摄像机过渡到下一个摄像机或下一个屏幕的方法。
在只使用一个与表面相距一定距离的图形和一个摄像机的情况下，采用常规方法也不能最终确定反射表面的形状，因为在表面角与表面距离或表面高度之间存在不确定性，这种不确定性在没有附加信息的情况下不能被消除。这个问题通过已知的其中使用多个摄像机或者在与表面相距不同距离的地方设置多个图形的方法(参见例如DE 101 27 304 A1)得到解决。然而，这存在设备费用高的缺点，因为待测表面的每个区域都必须用多个图形和/或摄像机来覆盖。
发明内容
因此，本发明的目标是提出一种可能性，通过它允许借助具有低设备费用的系统实现对反射表面、尤其透明物体的反射表面的形状的可靠测量，其中该系统的校准以及形状的测量将特别容易操作。
为此目的，根据权利要求1提出：为了测量形状，根据摄像机的观察方向和图形的位置确定表面角和表面高度，其中每个像素的观察方向都是已知的，并且图形的位置对应被反射的图形在摄像机像素上的映射。在本发明的范围中，反射表面不仅是全反射表面，而且特别地还是部分透明的表面，例如玻璃窗的表面。因此，本发明总体上特别适于测量车辆的挡风玻璃。通过优选地知道摄像机的每个像素的观察方向，根据在该像素上反射的图形区域的方位能够以高空间分辨率和简单的光学装置确定相应图形的位置，从而能够对该表面进行快速并且精确的测量。另外，即使摄像机被设置在球形曲面的焦点上，仍然能够实现对该表面的测量。
具体是，该摄像机的各个像素的观察方向因此可以从所提出的根据本发明的用于测量形状的系统(其也是本发明的主题)的在先或在后的校准中获知，并且具体地可结合在下面描述的用于测量形状的方法来完成。
根据所提出的方法的优选实施例，采用相位评估法、时间编码法和/或频率编码法分析摄像机所记录的图形，其例如具有由至少两个可区分并且周期出现的图形元素形成的图形序列。此方法可用于稍后描述的校准，或者用于测量形状，或者既用于校准又用于测量形状。优选，所述图形序列可具有两种不同的光强。已经发现：通过这种方法可以获得特别高的空间分辨率。因此，其特别适于确定映射在图形中的像素内的图形点的位置。时间和/或频率编码法例如可使不同的图形按照时间顺序和/或以不同时间周期显示在图形载体上并且被摄像机记录。在随后的评估中，因为图形的类型已知，因此通过基本组合的评估能够确定哪个摄像机像素观察哪个图形区域。最简单的方式将是单独控制形成为监视器的图形载体的每个监视器像素，并且将监视器像素分配给相应的摄像机像素。然而，通过合适的图形选择和不同图形的时间顺序，该确定过程可得到加速和/或改善。通过相位评估法得到另一种可能，其中图形具有例如一定的亮度特性。通过偏移图形，可通过相位分析实现图形点的精确定位。为此，该图形至少是三角偏移的(triple-shifted)。还可想到使用这两种方法的组合。
根据所提出的方法的优选实现方式，针对反射或反射性表面上的至少一个基点，精确确定表面高度和/或表面角度。基于此，接着可估算与该基点相邻的点上的表面高度，并且由此可确定其表面角度。由于对于现有的系统尺寸(即不是太小的测量距离)而言，角度的测定对高度的不精确度不是非常敏感，因此通过这种方式能够非常精确地确定表面角。这些基点以及与这些基点相邻的点上的表面角于是可被合并形成所调查的表面形状。在此，不仅直接毗邻的点被认为是相邻点，而且每个与表面高度和/或表面角已被确定或估算的表面点相邻的远点都被认为是相邻点。原则上仅基于一个基点(其例如位于待查表面的中间)就能够确定整个表面的结构或形状。另外，为了改善精度，可以使用已知的用于曲率校正的方法。
在实践中，对于用作起始点的基点，首先要精确确定表面高度。为此，可以用设在图形前方的标记遮蔽指定的图形点，以便准确识别出该表面点。假设图形是已知的，接着例如通过已知的三角法可确定反映该标记的表面点的绝对表面高度。
对此，尤其有利的是：该标记由直线形状的物体形成，其中该物体被设置在图形的前方，并且优选地不与反射表面垂直。根据已知的映射该表面点的摄像机的观察方向(空间方向上的已知直线)和被遮蔽的图形点定义一个平面，并且确定该物体与该平面的交点。通过物体与平面的交点以及被遮蔽的图形点，也能够确定一条从图形点上伸出并且延伸至反射表面上的所述表面点的直线。这两条直线的交点则高精度地确定所调查的表面高度。对于物体而言，易于在数学上进行定义的形状(诸如直线或圆)特别合适。在实践中，这些可由细棒或者在图形前方横跨的细绳来实现。
作为替换或补充，为了准确确定表面高度，根据图形载体平面中的两个图形点之间的已知距离并且假设为平面镜，同一表面点的高度可被估算出，并且由此可确定它的角度。基于通过这种方式确定的角度，则可以改善高度的测定，因此通过反复使用该方法能够足够精确地估算出该表面高度，其具体原因是因为表面角对距离误差的敏感度相对较小并且因此所估算的角度相对精确。由于使用这种表面高度确定方法不需要另外的装置元件(多个摄像机和/或图形，设在图形或类似物前方的距离标记)，因此该方法可特别简单地用于表面点的高度测量。然而，该方法只有在表面弯曲不是过大并且两个镜像点之间的距离非常小以致于将待测表面看作平面镜的假设大体正确的情况下才能很好地运作。
即使在基本能够从基点开始测量整个形状的时候，根据本发明通过以优选密集的栅格的形式将多个基点放置在待测表面上，其中从每个基点开始确定表面形状，形状的测量精度可得到提高。通过这种方式，基于在基点上确定的表面高度，表面形状的估算仅限于基点周围的一定距离内，从而基点的精确位置或高度的测定误差不会过大。由于整个表面不得不由围绕基点确定的表面形状构成，因此形成额外的边界条件，这些条件总体上提高了形状的测量精度。另外，围绕各个基点的计算可同时进行，从而使得该方法能够执行地特别快。
为了进一步提高精度，根据本发明，可以对初始以粗糙图形的形状显示在监视器上的图形连续进行细化，特别地将其细化至监视器的分辨极限。例如可以考虑以条带栅格作为图形，然而其中条带形状可以近似自由地选择并且是专用的。有效的图形形状可以是矩形、圆角矩形、梯形或正弦形状。为了能够测量图形的各个空间方向，图形或条带栅格分别沿两个不同并且互不平行的空间方向形成，并且被待测表面反射。优选图形的正交配置，即在投影中将图形转动90度。
根据本发明进一步提出，在测量过程中产生不同的图形结构，其具体可根据待测形状和实际应用的图形的精细度来选择。
具体是，根据本发明的方法可用于透明物体。关于这点的典型示例性应用是车辆的挡风玻璃或其他曲面玻璃。特别优选地，在这种情况下，可同时测量多个反射表面的形状，例如一个窗玻璃的上、下侧和/或彼此上下叠置的多个窗玻璃，或者其他透明物体。调节图形结构以便不同表面的图形结构仍然可以被分辨对透明物体的测量(取决于被反射的图形的精细度)尤其有效。为此目的，可能要从条带图形变为点状图形。
由于在该方法的第一步骤中，顶部表面的确定精度具体地仅达到多次反射还未起作用的程度，因此对多个表面的测量可大为改善。作为替换或补充，必要时，表面上的其中不同表面的多次反射仍然可被分开或分辨的那些区域可被测量。基于这种测量，表面的形状大致得到了解，并且因此可计算出已知图形本身是如何显示的，以便在该方法的第二步骤中能够对多次反射进行评估。在大致知道待测表面的形状和位置的情况下，还可以使用这些已知值，从而代替在该方法的第一步骤中对表面形状的粗测。在实际图形形状的待定过程中，该图形可具体被连续细化，并且因此必要时可以以迭代的方式以较高的精度确定该表面的形状。为此目的，在图形结构的细化过程中，可根据(初步)确定或已知的表面形状相应调节图形的类型。这也可用于仅测量一个表面的情况，因为具体地，图形的合适结构也取决于表面形状。
本发明还涉及一种用于系统校准的方法，其中该系统具有图形载体和摄像机，该载体具有用于在反射表面上反射的图形，并且摄像机用于逐像素地观察在表面上被反射的图形。根据本发明，在校准中采用平行设置的两个大面积的平面镜表面，并且这两个表面之间的精确距离不一定要知道。所提出的校准的特殊优点在于：根据本发明，在校准中，除了图形的几何形状和这两个反射镜表面的精确平行对齐之外，不再使用其他信息。
大面积反射镜表面的平面悬垂已经发现在实践中难以实现。另外，调节反射镜表面以便在两个高度不同的配置下使其理想地平行对齐需要相当多的技术装置费用。
为了解决这个问题，根据本发明提出由液体产生反射表面。通过这种方式能够轻易地校准用于测量形状的系统，其中根据本发明，校准和测量形状的步骤能够彼此组合，并且特别地能够连续进行。校准可在实际测量形状之前和之后进行。由于这种大的理想平面，还能够同时高精度地校准涉及的所有零件。
为了获得大体相当的光学条件，根据本发明提出将这些平行反射镜表面设置在与待测反射表面相当的高度上。
在这两个平行反射镜表面是通过托盘中的液体的两种不同的填充水平和/或相应移动托盘形成的情况下，这能够以特别简单的方式实现。具体地，通过使用足够粘稠的液体，能够形成两个理想平行的具有最佳反射镜表面质量的反射镜表面，因为该表面本身不存在弯曲或不平坦。根据本发明，还提出要通过测量检查液体在高度改变之后是否达到静止。在最简单的情况下，其实现方式可以是检查在连续的记录中是否发现在摄像机的同一像素中仍然存在差异。只要不再是这种情况，就能认定为不动的或静止的液面。
此外，通过使用装在尺寸足够大的托盘中的液体，能够形成足够大的反射镜表面，从而能够将该系统的所有图形载体和摄像机校准到共用坐标系中。
作为液体，甘油特别适合。
最后，根据本发明，在权利要求20中，提出了一种用于测量反射表面的形状的系统，该系统包括：至少一个图形载体，其用于产生可在反射表面上反射的图形；至少一个摄像机，其用于逐像素地观察在表面上反射的图形；以及评估单元，其用于评估摄像机图像和确定形状，以及/或者用于校准。根据本发明指出：该系统具有用于设置大面积平面反射镜表面的装置，其中该反射镜表面优选地由液体形成。
具体是，托盘是一种适合用作用于设置平面反射镜表面的装置，其中液体可被装入该托盘中。通过托盘中的不同填充高度，能够以简单的方式形成多个平行反射镜表面，并且能够将反射镜表面高度大致调节至待测物体的位置。另外，特别是，作为替换方式还可以将托盘升高或降低。
在该系统的优选形式中，图形载体可以是其上可显示不同图形的监视器，尤其是TFT监视器。
另外，根据本发明，多个图形载体可被设置成四边形，其中优选地，在图形载体的每个交叉点上设有一个摄像机。当然也可以将这些监视器设置成彼此成一定角度或者甚至相互垂直。具体地，根据待测表面的形状形成最佳配置，其最佳特性通常是已知的以便能够相应优化这些监视器的配置。
其他优点、特征和应用可能性从下面对示例性实施例的描述以及附图中得出。因此，所有被描述的和/或在视觉上示出的特征本身或以组合的方式形成本发明的主题，甚至独立于它们在权利要求中的组合或它们的关联。
附图说明
在附图中：
图1示出了根据第一实施例的用于测量反射表面形状的根据本发明的系统；
图2示出了根据第二实施例的用于测量反射表面形状的根据本发明的系统；
图3示出了根据第三实施例的用于测量反射表面形状的系统的图形载体和摄像机；
图4示出了在根据本发明的系统校准期间摄像机像素的光学路径；
图5示出了在根据图4的光学路径上用于校准的三角形的评估；
图6示出了在测量形状的过程中，根据图1的根据本发明的系统；以及
图7示出了在测量形状的过程中，根据图1的根据本发明的系统的可选形式。
具体实施方式
在图1中，示出了用于测量待测物体3的反射表面14的形状的系统13的基本构造。系统13具有摄像机1，其通过反射表面14观察图形载体2的图形15。为了能够确定物体3的反射表面14的形状，必须知道摄像机1与图形载体2的图形15之间的关系。为此，在校准过程中确定摄像机1的坐标系16和图形15的坐标系17。另外，摄像机1以及图形15可被校准到静止环境坐标系7中。这不是必需的；然而它改善了整个系统的清晰度。摄像机1的坐标系16或者图形15的坐标系17可被用作静止环境坐标系，从而代替静止环境坐标系7。由此知道摄像机1以及图形15在系统13中的位置和取向。
摄像机1被设置用于逐像素地观察在反射表面14上反射的图形15。在系统13的描述中，首先将摄像机1建模为简单的针孔摄像机，其不需要任何摄像机内部参数，诸如理论像距、失真、主点偏移或类似参数。然而，在已知这些参数的情况下，通过将摄像机1建模为经校正针孔摄像机以便借助这些已知的摄像机参数将摄像机1记录到的图像8转变成用这些已知参数校正的图像，同样的系统可被用于使该方法更快收敛。然而在该方法中，随后还要再次对图像进行处理，如同它是由简单的针孔摄像机记录的那样。
当摄像机关于任意图形倾斜地直接进行观察时，仅通过图像的评估就能够产生已知的平面图形与摄像机之间的空间关系。此时，有利的是用其方位与以后用于测量形状的图形15完全相同的图形15来进行校准，因为形状测量结果的评估需要知道图形15与摄像机1之间的准确关系。图形15的形式可以不同。为此，平面屏幕监视器，例如TFT监视器，被用作图形载体，在此载体上可显示任意图形15。由于平面屏幕监视器2的像素尺寸是已知的，因此也能准确地知道所显示的图形15的几何形状。然而，图形载体2也可以有其他的实现方式，例如固定架中的具有被测图形的可互换的板。
然而，在图1中可以看到，如果测量空间中没有反射测量物体3，摄像机就不能看到图形载体2上的图形15。如果希望在用于随后的形状测量的配置下对摄像机1和图形载体2进行校准，那么必须在与测量物体3相当的位置上设置其形状精确已知的具有反射性质的物体。优选地，应当使用完全平坦的反射表面，因为然后在校准中可以使用简单的数学关系。
由于此平面镜的方位未知导致不得不在待解方程组中引入额外的自由度，因此必须通过方位不同的至少两个反射镜来观察用于校准的图形15。关于这一点，最简单的解决方案是在不同的高度上设置相继观察的两个完全平行的反射镜，其中不一定要知道反射镜本身的高度。这两个反射镜表面5、6在图1中用实线示出。
在实践中，待测物体3涉及例如车辆的挡风玻璃。对于这种尺寸的物体3，制造和配置大面积反射镜表面5、6非常不容易，因为要在合适大的尺寸下以足够的平面度制造反射镜并且无弯曲地将它们支撑在两个不同高度上是昂贵的。为了产生两个平行反射镜表面5、6，组件13的下部因此形成为托盘4。在托盘4中倾注具有足够粘度的液体，该液体具有良好的反射表面。通过接连两次将不同数量的液体注入托盘4中来实现上述两个高度。这种配置的优点在于这两个反射镜表面5、6被设置成完全平坦并且平行。另外，可随时再现这些反射镜表面的取向，虽然这不是必需的，但它使得测量系统的操作更加容易，例如在更换发生故障的摄像机以及随后进行所需要的重新校准时。具有足够粘度的合适液体是甘油。
在图2中示出了一种与此类似的系统13，但是该系统13具有多个(三个)图形载体2和多个(两个)摄像机1，它们彼此邻接地设置并且共同覆盖较大的物体区域，其中物体表面可在该区域中得到测量。通过提供装有用于产生反射镜表面5、6的甘油的托盘4，由于能够以简单的方式和任意尺寸制备液体反射镜表面5、6，因此能够以简单的方式将图形载体2的所有图形15以及所有的摄像机1校准到公共坐标系10中。
在这种情况下，液体表面5、6优选定义为所有摄像机1和图形载体2的公共坐标系的x-y平面。另外，如果摄像机1和图形15或图形载体2被分别设置成每个摄像机1和至少一个其他的摄像机1一起观察同一图形载体2上的图形15，那么还可以确定关于反射镜表面5、6的表面法线周围(rotation)的所有部件之间的关系以及在此表面上的彼此之间的位移。为此，不必要求这两个摄像机1中的每一个都映射(maps)图形载体2上的同一图形区域15，因为通过已知的整个图形15的几何形状可以在不同图形区域15之间建立一定的关系。可以将表面上的任意一点选为坐标系10的零点。对于关于表面法线的转动的零点也是这样。通过这种方式，可将所有部件一同校准到坐标系10中。
在图3中示出了用于根据本发明的系统13的特别有用的配置，其中n×m个图形载体以阵列的形式设置成四边形。摄像机1被设置在图形载体2的每个交叉点上，以便每个摄像机1观察四个图形载体2，并且-除阵列边界上的图形载体2之外-所有的图形载体2均受到四个摄像机1的观察。摄像机1的相应成像区域12用点线示出。
即使因为物体形状相对于不同参考坐标系之间的坐标变换自然是保持不变的不必为物体3的形状测量定义可重现的坐标系，但是在某些情况下，还是需要建立与固定的预定坐标系的关系。例如，这可以使得整个测量系统13的操作更加容易。
由于液面的缘故，坐标系10的X-Y平面的取向总是相同的。对于其他自由度，可附上摄像机1可见的标记。因此，例如，零点可被定义在图形载体2上，并且被标记成可被至少一个摄像机1识别出。通过定义第二固定点，还能够定义关于表面法线的转动的零点。当将平面屏幕监视器用作图形载体2时，这种标记也可以显示在监视器上。
因此，其X-Y平面与反射镜表面5、6重合的第一坐标系可被用作公共坐标系10。然后，基于这种坐标系10，可建立起关于任何环境坐标系7(例如与托盘4相关的)的关系。
参见图4，在下文中通过在平面屏幕监视器2上显示的图形15详细描述系统13的安装。在此，针对系统13的摄像机1的每一个像素，确定由摄像机1或摄像机像素观察到的平面屏幕监视器2的像素。开始时，测量与校准无关，并且针对每个像素确定摄像机1的观察方向。
为此，将摄像机的位置xk、yk和zk建立为参考坐标系中的参数。由坐标xk、yk和zk定义的点表示到达摄像机的所有光束与透镜的交点。另外，作为其他参数，参考坐标系中平面屏幕监视器2的各个像素的位置、以及参考坐标系中包括(被测)透镜畸变在内的摄像机1的各个像素的观察方向被确定。
在由摄像机1和平面屏幕监视器2(TFT监视器)构成的系统13的配置下方，放置装有甘油的托盘4，其可被附连在不同的高度上。该托盘4内侧被涂黑。只要托盘4中的甘油达到静止，就可以得到光学上完美并且平坦的反射表面5、6。然后，针对两种高度(h1，h2)，向摄像机1的每个像素分配平面屏幕监视器2的对应像素，对应的摄像机像素的光束被反射镜5、6反射到其上。尺寸h1和h2是甘油表面(反射镜表面5、6)所处的两个高度。
通过在平面屏幕监视器2上连续显示合适的图形15并且由摄像机1记录它们的镜像8来实施测量。通过合适选择图形15，在经过一定数量的图像8之后能够识别出各个单独的监视器像素。对此可按照亮度序列对各像素进行编码(例如编码成葛莱码)，或者使用合适的灰度值级数或者灰度值级数序列。
下面给出了合适的参数化方法的实例，然而，在不脱离本发明的主题的情况下，该方法可以变化。原点与平面屏幕监视器2中的任一个的像素(0，0)相关联。通过选择该像素的空间坐标，确定坐标系的位置。由液面形成的反射镜表面5、6被选择成与坐标系10的X-Y平面平行，以便坐标系10的Z方向垂直于反射镜表面5、6。坐标系的X轴的延伸方向与定义原点的平面屏幕监视器2的长边垂直。
通过这种选择来预先设定唯一的坐标系10，所有的系统部件均可在该坐标系中被测量。
从平面屏幕监视器2的制造中可准确地知道监视器2上的两个像素之间的距离。对于17”监视器，此距离例如为0.264mm。在已知监视器像素在空间中的方位以及监视器在空间中所处的三个空间角的情况下，可准确地确定各个监视器像素在空间中的位置。这种度量在所有的平面屏幕监视器2中都是完全相同的，因此确保三维环境坐标也可度量。
在图4中，当前示出了摄像机1的单个像素的光学路径。在此，坐标xk、yk和zk为摄像机的位置，h1和h2为反射镜表面5、6的高度，xS1、yS1和zS1是在高度h1上反射的摄像机像素被反射到的空间坐标。在此，在图4的下部以不同的灰度级示出的三角形的数学意义是相似的。
根据图5中的图示，两个小三角形和两个大三角形可分别并到一个三角形中。然后获知这两个三角形的高度和宽度。由于三角形的相似性，应用下列关系：
a x k - x S 2 = b x k - x S 1 其中a＝zk+zS1-2h1，并且b＝zk+zS2-2h2
利用这种关系，可确定方程中的参数。在求解xk时，方程为：
x k = ax S 1 - bx S 2 a - b
通过改换坐标方向X和Y，以类似的方式计算yk。
针对摄像机1的每个像素形成上述方程。该方程组的求解条件是属于特定摄像机1的像素的所有光束相交于一点。通过合适的优化算法、诸如牛顿-高斯-约当法来求解所得到的方程组。为了简化优化计算，还可以只采用一些选定的像素。
合适的数值可被用作有利的优化计算初始值。因此，所有平面屏幕监视器2的位置可被粗略地测量作为像素(0，0)的位置，并且用作初始值。对于各个监视器的三个空间角也是这样。另外，各个摄像机Z和反射镜表面5、6的高度h1和h2被粗略地测量并且用作初始值。
然后，针对每个平面屏幕监视器2，对像素(0，0)的X、Y和Z坐标以及其方位的三个空间角进行优化。对于反射镜表面5、6的高度h1和h2以及摄像机位置Z的高度也是这样。作为优化的结果，得到各平面屏幕监视器2和各摄像机1的正确位置和方位。另外，对于已经在至少一个高度上进行了有效测量的每个像素，摄像机在平面Z＝0上看到的点是已知的。对于高度h1和h2上的反射，存在以下关系：
x z = 0 = x k - z k ( x k - x S 1 ) z k + z S 1 - 2 h 1 和 x z = 0 = x k - z k ( x k - x S 2 ) z k + z S 2 - 2 h 2
这些方程是从根据图5的三角形中得到的。
由于这种计算是在校准之后分别针对各摄像机像素进行的，因此知道摄像机1的各个像素在空间中的观察方向，其包括透镜畸变，因为相同的量在图像记录时也进行考虑或测量。因此通过这种方法显式确定各像素的观察方向，而不用将摄像机建模成畸变模型。
基本上，也可以同时建立畸变模型。因此待优化的方程组发生改变，从而使得这些参数额外呈现并且得到优化，这形成更大数量的计算工作。
另外，可针对每个反射镜表面高度对平面图形实施常规的校准，而不考虑摄像机1实际上看到的是图形15的镜像这一事实。然后在每个反射镜表面高度h1和h2上形成不同的摄像机虚拟位置。然而，由于已知摄像机位置实际上一直都没有改变，只是反射镜的高度(具有完全平行的反射镜表面5、6)不同，因此可利用这种边界条件形成方程组。通过对该方程组进行优化，得到摄像机1的正确位置。
该方法的优点在于：校准可被分为两个步骤，并且在第一步骤中可以使用已知的标准方法。然而，其缺点在于：在第一步骤中，只有图形载体2上的图形15可被利用。在实践中，在具有多个摄像机1的配置下，一个图形载体2仅覆盖图像场的一部分和一侧，即仅在图像场的一侧上。然而，只有在图像场被图像点较规则地覆盖的情况下才能实现好的校准。
只要已经按照说明完成了对系统13的校准，那么就可以对物体3的反射表面14的形状进行测量。为此，以不同的亮度、一个接一个地或者同时打开不同的平面屏幕监视器2，以便识别出摄像机1看到的是哪个平面屏幕监视器2。然后在平面屏幕监视器2上产生粗条带栅格，以进一步缩小摄像机1在图形15上看到的位置。条带图形15被细化到各平面屏幕监视器2的分辨极限，并且被分别映射到摄像机1的像素上。
为了能够在所有的方向上测量反射表面14，条带图形15还被转动90度和显示在平面屏幕监视器2上，并且也在这个方向上对图形15进行指定的细化。由于在所描述的构造中，基本不是反射表面14的所有区域都由两个图形15和/或两个摄像机1覆盖，因此在表面角和/或表面距离上存在不确定性。
为了解决这种不确定性，需要至少一个起始点或基点，其中两个尺寸(表面角或表面高度)之一是已知的。然后在这一点上，高度和角度可被精确地确定。接着基于此基点估算相邻点的高度，并且由此确定角度。对于实际存在并且其测量距离不太小的系统尺寸，角度的测定对高度的不准确度不是非常敏感。因此通过这种方法，可以非常精确地确定表面点上的表面角。然后可将表面点上的表面角合并成完整形状。为此，还可以采用已知的用于曲率校正的方法来改善精度。
由于在确定起始点或基点时，指定高度通常更易于解决表面角和表面高度的不确定性，因此可以使用下列方法：
如果在坐标系中对整个系统13进行了测量，那么就知道测量物体的支撑高度。然而，测量物体的支撑点总是少数几个点，以致于积分步长较宽。因此，在以支撑点为基点的情况下，结果对小测量误差非常敏感。
在两个摄像机的重叠区域中，还可以使用双摄像机法，其中通过用位置和取向已知的两个摄像机进行监视来确定点的高度。然而，在实践过程中这是非常困难的，因为在曲面的情况下，常常一个摄像机只看到一个反射图形。为了每次都能分别由至少两个摄像机捕获整个表面，将必须设置大量摄像机和/或图形。
反射表面，诸如挡风玻璃，局部具有几乎不反射或者完全不反射的区域。具体地，存在边缘或例如因其上的套印而不具有反射性的区域。这些区域可通过已知的用于非反射性表面的方法(诸如条带三角测量法或者立体视觉测量法)得到测量。然而，这些方法只有在存在非反射性区域时才起作用。另外，在这种情况下，积分步长变得非常宽，这导致对小测量误差的高度依赖性。
因此，根据本发明，优选使用下列方法对基点高度进行测量。
根据第一可能，在真实图形15前方的一定距离处，将小标记9附连在给定的基点栅格中。这些标记可被设置在小棒上或者设在前面的窗玻璃(pane)上。在图6中示例性地示出了标记9的位置。对于摄像机1而言，标记9遮蔽了图形15的较小区域11。通过识别附近的图形15的点，可以精确地确定被标记9遮蔽的是图形15上的哪个点11。因此，表面14在这个点上的绝对高度可被确定，例如采用三角法。
标记9的位置可以在之前或之后的步骤中通过以所提出的液面为反射镜表面5、6的校准来确定。
在图7中，示出了对所提出的方法的改进，其在下文中进行解释。以与标记9类似的方式，将形状已知的细小物体18附连在图形前方的一定距离处，其中物体18优选地易于在数学上得到定义(例如棒、细绳或圆圈)。物体18也可以是设在前面的窗玻璃上的半透明的图形。
然后，物体18被映射到摄像机1中或其像素8上。由于物体18较细小或者是半透明的，因此能够确定图形15的被遮蔽区域11。通过像素或摄像机像素8和摄像机的映射中心，定义摄像机像素的观察方向，其形成从像素8中伸出的直线。该直线在图7中用点线示出。通过这条直线和已知的被遮蔽图形点11定义一个平面。当已知物体18在该空间中的方位(例如通过校准)时，可以确定物体18与此平面的交点19。而这唯一需要满足的条件是物体18不是完全落在该平面上。这可以例如借助具有不同取向的不同物体18来实现。
被遮蔽的图形点11和交点19定义另一条直线，其也示出为点线。两条直线的交点是所调查的表面点，于是可以高精度地确定该表面点及其用于合并的角度。
物体18的方位可通过外部测量或者优选地通过第二校准步骤在系统校准过程中确定。在该第二步骤中，在校准摄像机1和图形载体2之后，只要平坦的反射镜表面5、6仍然有效就能够确定物体18的方位。这是可以实现的，因为此时反射镜表面5、6的形状或配置是已知的。
另一种方法由下面描述的用于高度测定的第二可能形成，该方法在实践中已被证实具有足够的精度。在此，在假定为平面镜的情况下，通过估算反射镜表面高度来大致确定物体3的反射表面14的高度。由此能够确定相关的角度。由于角度对距离误差的敏感度相对较低，因此相比于反射镜表面高度的估算值，这个角度更为准确。一旦知道这个角度，就能够以更高的精度重新确定高度。因此，反射表面14在这个或者这些基点上的高度可通过迭代的方式确定。在反射表面14不是过度弯曲，并且图形15的两个被观察到的镜像点之间的距离非常小从而使得平面镜的假设成立的情况下，这种方法可有效地实施。
从而能够以简单的方式将任意的基点栅格指定在其形状待测的反射表面上。
通过上述方法，于是即使在具有多个反射表面的反射的时候，例如在第二(较低的)玻璃表面或者以一个在另一个下方的方式设置的多个窗玻璃的反射也将被测量的情况下，也能够对反射表面14进行测量。这常常会产生很多困难，因为多次反射不再能够被正确地区分开，和不再能够可靠地对反射表面14之一的形状进行分析。
为了应付由多次反射(例如因为未给玻璃的后表面涂覆反射材料)引出的问题，提出在根据上述方法的第一步骤中提供对反射表面14的形状的粗测。
当所使用的图形15因多次反射而不再可分辨时，将中止对所使用的图形15的分辨细化。这时通常已经能够非常精确地确定这个形状，以致于除少数区域之外，在允许的情况下，已经能够计算出已知图形本身将如何在多次反射中得到显示。基于这种计算方法，于是还能够基于更高分辨的图形15精确地确定反射表面的表面形状。
在实践中，将区分开三个区域。在第一区域中，直至某一角度，不同表面的反射重叠以致于不再能将它们分开。在此区域中，原则上只有最高处的反射表面可被测量，由此多次反射不形成干扰。
从某一角度开始，这些反射可被分开，但是仍然存在部分重叠。由于图形的形状是已知的，因此可从数学上和通过不同亮度(其取决于重叠程度)的评估将不同表面上的反射分开。因此，每个表面都可被测量。
从某一角度开始，由多次反射形成的反射完全分开，从而使得对于设置在深处的表面，也能够非常精确地测量这些表面形状。具体地，点状图形是一种合适的图形。
在此可以使用不同的图形15测量不同的表面，其中这些图形15与窗玻璃的不同区域的反射条件相配。
通过所提出的方法和系统，从而能够可靠地测量透明物体的上反射表面。更广泛地，位于下方的表面也能够得到测量，同时不需要特别高的装置费用。
参考列表：
1      摄像机
2      图形载体
3      物体
4      托盘
5      校准反射镜表面
6      校准反射镜表面
7      环境坐标系
8      图像，摄像机像素
9      标记
10     共用坐标系
11     被遮蔽区域
12     摄像机的图像场
13     系统
14     反射/反射性表面
15     图形
16     摄像机的坐标系
17     图形的坐标系
18     物体
19     交点

Claims (10)

1.一种用于使用系统测量反射表面(14)的形状的方法，所述系统包括用于在所述反射表面(14)上反射的至少一个图形(15)和用于逐像素地观察在所述反射表面(14)上反射的图形(15)的至少一个摄像机(1)，其中所述摄像机(1)和所述图形(15)的位置和取向是已知的，并且用于所述摄像机(1)的每个像素(8)的观察方向也是已知的，其中为了测量所述形状，根据所述摄像机(1)的观察方向和所述图形(15)的位置确定所述反射表面的角度和所述反射表面的高度，其中所述摄像机(1)的观察方向对于摄像机(1)的像素(8)是已知的，并且所述图形(15)的位置对应被反射的图形(15)在摄像机(1)的像素(8)上的映射，其中为了精确确定基点的表面高度，将线性物体(18)设置在所述图形(15)的前方，使得所述线性物体(18)的至少一个点(19)覆盖图形点(11)，其中所述线性物体(18)的空间位置已知，从成像所述图形点(11)的像素的已知观察方向和所述图形点(11)确定一个平面，点(19)被确定为所述线性物体(18)与该平面的交点，并且所述基点被确定为所述成像所述图形点(11)的像素的已知观察方向与通过所述图形点(11)和所述点(19)的直线的交点。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：采用相位评估法、时间编码法和/或频率编码法分析由所述摄像机(1)记录的图形(15)。
3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：在确定所述反射表面(14)上的基点的表面高度后，从其估算所述基点附近的表面点的表面高度，并且从其确定表面角。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：为了精确确定所述反射表面的高度，根据两个图形点之间的已知距离和假设为平面镜，所述反射表面的高度可被估算出，并且由此确定所述反射表面的角度。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：以栅格的形式将多个基点设置在待测的所述反射表面(14)上。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：连续细化以粗图形(15)开始的图形(15)。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：成像不同的图形结构。
8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在透明物体上实施测量。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述方法包括第一步骤和第二步骤，在所述第一步骤中，测量所述反射表面的上表面和/或其中不同表面的多次反射可被分开的所述反射表面的区域，并且/或者使用所述反射表面的先前已知的形状和位置，计算已知图形本身如何在多次反射中进行显示；并且在所述第二步骤中评估所述多次反射。
10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述图形(15)的形状取决于分辨率。
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