CN101821580B - 用于实物形状的三维测量的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供使用非接触式结构光三角测量法进行实物形状的三维测量的系统和方法。该系统包括：将结构光图案投射到任何物体的表面的投光器和拍摄作用于物体表面的结构光图案的图像的照相机。该系统进一步包括计算装置，用于基于计算得到的投射的结构光和拍摄到的图像之间的对应关系通过采用的三角测量算法确定被照亮的物体的表面形状的三维测量值。结构光包括经过编码的元素，这些经过编码的元素位于经过投光器和照相机两者的中心投射区的顶点并且也经过被测物体的空间的平面内。

Description

用于实物形状的三维测量的系统和方法
技术领域
本公开涉及实物的三维(“3D”)测量。
背景技术
已存在多种用于进行实物3D表面形状的非接触式测量的已知装置和方法，例如通过使用结构光三角测量方法。测量实物表面形状的三角测量方法利用将光投射到物体的表面，该光通常是振幅调制、时间调制和/或波长调制的(“结构光”)。照相机在不同于结构光投射的方向上拍摄结构光投射在物体表面上的图像(在下文中称为“图像”)。接着，该图像被分析以计算物体表面的形状。许多参数会影响分析的结果，例如形成结构光并扫描图像的特定系统的参数、表面的形状、物体的表面和系统组件之间的距离、物体相对于系统组件的方位。因为除了物体的形状、物体的表面和系统组件之间的距离和物体相对于系统的组件的方位以外，所列出的大多数参数通常是先前已知的或是容易确定的，所以可能使用三角测量方法分析图像来确定物体表面的形状。
发明内容
根据一个或更多个实施例，提供使用非接触式结构光三角测量法的实物形状三维测量的系统和方法。该系统包括：将结构光图案投射到任何物体表面的投光器(或光投射器)和拍摄作用于物体表面的结构光图案的图像的照相机。该系统进一步包括计算装置，用于基于计算得到的投射的结构光和拍摄到的图像之间的对应关系通过采用的三角测量算法确定被照亮物体的表面形状的三维测量值。结构光包括经过编码的元素，这些经过编码的元素位于经过投射器和照相机两者的中心投射区的顶点的平面内，这些平面也经过被测物体的空间。这种布置使得结构光中经过编码的元素和拍摄到的图像之间的对应关系能够通过限制方向的数量容易地确定，在这些方向上结构光可以变形到一个已知方向上，从而提供使用非接触式结构光三角测量方法快速、准确地获得物体表面形状的3D测量值的系统和方法。
附图说明
参考结合附图的下列描述，上面提及的本公开的特征和目标将变得更明显，附图中相同的参考数字表示相同的元素，其中：
图1是表示根据一个或更多的本公开实施例的实物形状3D测量系统的框图；
图2是投射器、照相机和使用三角测量法测量的物体之间的布局和关系的几何图；
图3是在结构光三角测量系统中的幻灯片(slide)和相应图像的例子；
图4A至4C是在结构光三角测量系统中使用的结构光图案的代表性例子；
图5是根据本公开的一个或更多个实施例的投射器和照相机子午线的图解说明；
图6是位于根据本公开的一个或更多个实施例的实物形状的3D测量系统中的子午线几何规则的部分透视图；
图7是在根据本公开的一个或更多个实施例的实物形状的3D测量系统中投射器关于照相机的几何相对定位的代表性例子；
图8是针对图7的投射器和照相机相对定位的投射器和照相机子午线位置的图解说明；
图9是在根据本公开的一个或更多个实施例的实物形状的3D测量系统中投射器关于照相机的几何相对定位的代表性例子；
图10是针对图9的投射器和照相机的相对定位的投射器和照相机子午线位置的图解说明；
图11是在根据本公开的一个或更多个实施例的实物形状的3D测量系统中投射器关于照相机的几何相对定位的代表性例子；
图12是针对图11的投射器和照相机的相对定位的投射器和照相机子午线位置的图解说明；
图13是由根据本公开一个或更多个实施例的实物形状的3D测量系统产生的代表性光结构的图解说明；
图14是根据本公开一个或更多个实施例针对图7的投光器和照相机的相对定位从平面物体拍摄的代表性拍摄图像的图解说明，该图像对应于图13的光结构；
图15是根据本公开一个或更多个实施例针对图7的投光器和照相机的相对定位从非平面物体拍摄到的代表性拍摄图像的图解说明，该图像对应于图13的光结构。
具体实施方式
一般而言，本公开包括用于实物形状的3D测量的系统和方法。现在将参考前述视图讨论本公开的某些实施例，其中相同的参考数字对应于相同的组件。
现在参考图1，大体显示了根据一个或更多个实施例的用于实物形状的3D测量的系统100的框图说明。该系统100包括光单元102和计算装置104。光单元102通过一个或更多个投射器106产生结构光。在一个实施例中，投射器106是幻灯投影器，该投影器包括光源126和用于调制从光源126发射的光的光调制装置122。该光调制装置122可以是包括幻灯片的幻灯片式光调制装置、包括液晶屏幕的液晶显示器(LCD)式光调制装置或其他用于生成结构光的装置，这样的装置在下文中称为幻灯片122。投射器进一步包括具有顶点124的透镜181，用于将幻灯片图像作为关于光锥114的结构光113投射到被测量的物体111的表面110上。根据本实施例和其他实施例，结构光113也可以使用其他方法生成，诸如相干光、叠栅光和衍射光生成方法。
在一个或更多个实施例中，投射器106投射的结构光的波长选自光波长、可见波长和红外波长之一。在一个或更多个实施例中，投射器106包括闪光灯。在一个或更多个实施例中，投射器106是连续光源。
光单元102包括用于拍摄结构光113作用于物体111的表面110的图像的照相机108或其他图像探测装置。在一个或更多个实施例中，照相机108包括具有顶点130的透镜180，矩阵辐射接收器128和照相机驱动器132。透镜180在矩阵辐射接收器128的表面上形成图像。照相机驱动器132用作电子信号管理和处理单元，该照相机驱动器132控制矩阵辐射接收器128的操作并且能够在拍摄到的图像被发送到照相机输出134之前按照所期望或要求的将接收器128拍摄到的图像转换成另一种格式(例如VGA、bmp、jpeg等)。照相机108包括覆盖物体111的部分表面110的视场118。投射器106包括投射器中心光轴112并且照相机108包括照相机中心光轴116，从而三角测量角120是在投射器光轴112和照相机光轴116相交处之间的角。
计算装置104分析从照相机输出134接收的拍摄到的图像以进行期望的计算，例如但不限于物体111的表面110的3D形状、到物体111的距离和被拍摄表面110的方位。计算装置104也能够控制投射器106和照相机108和它们所包括的不同组件。
现参考图2的几何布局图，将参考一个或更多个实施例更详细地描述光单元100的功能。投射器106的投射透镜181的入瞳和出瞳的中心124在一个或更多个实施例中是投射的结构光113的顶点，而照相机108的透镜180的入瞳和出瞳的中心130在一个或更多个实施例中是照相机视场118的顶点。
通过使用三角测量法，幻灯片122中的多个点被投射到物体111的表面110上并且接着一对一地映射到照相机108拍摄的拍摄图像中的相应点。拍摄的图像中的每个点的位置依赖于不同的因素，例如到物体111的表面110的距离以及表面110相对于光单元102的形状和方位。为了重新构造被测量表面110的形状和位置，在拍摄的图像中的每一个点都与幻灯片122中的相应点关联并且接着使用本领域技术人员公知的三角测量技术从点的坐标得出表面110的形状、位置和/或方位。图2图解说明一种基于幻灯片122和在接收器128拍摄到的图像上的对应点计算表面110在某个点的形状的可能方法。
现参考图3，所提供的说明例子示出了如何利用投射的图像和拍摄到的图像确定物体111的表面110的形状的透视图。具有行图案162的幻灯片122对从光源126投射的光进行振幅调制以将图案作为结构光113从投射器106投射到物体111的表面110上。然后行图案186出现在表面110上。照相机108记录结构光113作用于表面110的拍摄到的相应结果的图像140。在本例子中，计算表面110的形状的复杂度在于识别拍摄到的图像140中图案的行185和幻灯片122中图案的行162之间对应关系的复杂度。有时候难以确定图像140中的行和幻灯片122中的行之间的恰当对应关系，因为所有的行都有相似的外观并且难以说明幻灯片122中的哪一行162产生拍摄到的图像140中的给定行185。此外，由于物体111的形状变得更加复杂，所以行更常会折断并且寻找幻灯片122和拍摄到的图像140之间对应关系的任务变得更加复杂。
为了简化寻找拍摄到的图像140中的点和幻灯片122中的点之间对应关系的任务，投射的光113能够被构造成表示区别元素的集合，这些区别元素能够在拍摄到的图像140中被识别。在拍摄到的图像140中引入多相性被称为“编码”。图4A-4C图解说明能够投射到物体111的表面110上的、经过编码的结构光113的几个代表性例子。
尽管已经有编码，但是识别由照相机108拍摄的图像中结构光的元素的任务仍然是复杂的，特别是由于存在物体表面110与投射器106和照相机108之间距离的有限性造成的透视变形。透视变形使结构光113的拍摄到的图像140在两个方向上失真并且透视变形依赖于表面110在拍摄到的图像140的每个点中的形状。结果是，投射的结构光113的每个元素可以在拍摄到的图像140中无法预测地移动、转动或扭曲其形状，从而，考虑到其可能的所有变形(转动、形状变形)，其识别将会要求在拍摄到的图像140中的二维搜索。和这种搜索相关的复杂性常常会导致在拍摄到的图像140中探测结构光元素时频繁地发生错误，其引起测量物体表面110的形状的错误。搜索任务也要求资源密集型搜索算法，该算法延长了配准时间或者要求更强大，因而也更大型更贵的计算系统或计算装置104。
在一个或更多个实施例中，系统100简化了探测由照相机108拍摄的图像140中结构光113的元素的任务，这种简化是通过限制结构光113能够从该方向变形到一个已知方向的方向数量，组织结构光在该方向上的码序列，并且通过使用特殊的结构光编码方法，从而获得更有效且高效的3D成像实现的。
基于仿射外极几何学，如果两个照相机正在对着同一个物体或场景，就有可能画出一条经过其中一个照相机的图像中每个点的直线，对应于该线的物体或场景的所有点都沿着另一照相机的图像中的直线，而不用考虑物体或场景的形状。该原理可以被应用到使用结构光三角测量法进行表面形状扫描从而确定实物的3D形状。
在一个或一个以上实施例中，系统100及其相关的用于实物形状的3D测量的方法使用这样的假设：不考虑投射器106和照相机108相对彼此的位置，可能画出经过幻灯片122的每一个点的直线187，从而，当结构光113中的投射的图案被投射到物体111的表面110上时，就会在照相机108拍摄的图像140中存在一条相应的直线188，而不管被拍摄的表面110的形状如何。任何一对线，诸如线187和188形成一对一的对应关系，在下文中这样的线被称为“子午线”，特别地，如同图5中的例子图解说明的，这样的线对于照相机108拍摄的图像称为“照相机子午线188”，这样的线对于从投射器106投射的结构光113称为“投射器子午线187”。在一个实施例中，投射器子午线187和照相机子午线188是可以表示在幻灯片122和矩阵辐射接收器128的表面上的代表线，但是它们实际上不是投射到物体111上并由照相机108拍摄的图案的一部分。
在一个或更多个实施例中，如在图6中图解说明的，通过将结构光113从投射器181投射到物体111的表面110上来确定子午线187的位置，其中每个投射器子午线187位于平面125中，该平面125从投射器106投射的结构光113的顶点124延伸到表面110。在矩阵辐射接收器128中的每个照相机子午线188也将位于相应的平面125之一中，该平面也从照相机108的照相机视场118的顶点130延伸到物体111的空间。位于物体111的空间中的同一平面125中的投射器子午线187和照相机子午线188形成对应的对。
同样地，投射器子午线187和照相机子午线188与从顶点124和130延伸的平面125之间存在直接的相互关系。平面125可以被认为是与投射器子午线187和照相机子午线188在物体111的空间中的光轨相似。换句话说，投射器子午线187和照相机子午线188可以被认为是在幻灯片122和矩阵辐射接收器128表面上的由投射器透镜180和照相机透镜181产生的平面125的图像。
虽然投射器106、照相机108和物体111之间可能有任意数量的可能方位，但是现在描述几个示例性定位布局以说明投射器子午线187和照相机子午线188相对于投射器106和照相机108的定位的关系。
参考图7，在一个或更多个实施例中，连接从投射器106投射的结构光113的顶点124与照相机108的视场118的顶点130的线150垂直于投射器的光轴112。在该实施例中，投射器子午线187严格平行，其中在图8中提供对应于该实施例的投射器子午线187和照相机子午线188的说明。
参考图9，在一个或更多个实施例中，连接投射器106投射的结构光113的顶点124与照相机108的视场118的顶点130的线152垂直于照相机的光轴116。在该实施例中，照相机子午线188严格平行，其中在图10中提供对应于该实施例的投射器子午线187和照相机子午线188的说明。
参考图11，在一个或更多个实施例中，连接投射器106的中心投射113的顶点124与照相机108的中心投射118的顶点130的线154不垂直于投射器的光轴112或照相机的光轴116。在该实施例中，如图12所图解说明的，投射器子午线187和照相机子午线188都不要求严格平行。
在一个或更多个实施例中，投射器106投射的结构光113能够被组织以限制拍摄到的图像中的可能方向和变形的数量，从而简化识别在拍摄到的图像中的结构光元素的任务，并且在某些情况下获得完全线性化的表面形状计算算法。在一个实施例中，可能的方向和变形的数量被限制为子午线中的一条。
在一个或更多个实施例中，选择幻灯片122，从而形成结构光113，其具有至少两个位于经过投射器106的顶点124和照相机108的顶点130的平面125中的经编码的元素。在一个或更多个实施例中，结构光113可以形成为包括多个不同组的经过编码的元素的图案，其中经过编码的元素的各个组中的所有经过编码的元素都位于经过投射器106的顶点124和照相机108的顶点130的相同的相应平面125内。不同组的经过编码的元素位于不同的平面125中。在一个或更多个实施例中，这些经过编码的元素可以由不同形状、形式和/或长度的区域表示。例如，参考显示在图13中的说明实施例，结构光113形成为具有两个由不同厚度的区域表示的经过编码的元素164和165的结构160。经过编码的元素沿着多根平行线162一个接一个被安置，从而它们在各根线162中的序列形成具有不同厚度或不同长度的实线。同时，所有经过编码的元素都位于多根平行的、与线162交叉形成网格的子午线187上。通过这种方式，包括一系列沿着每个子午线187的不同厚度的编码区164和165的组将形成相对于另一相邻子午线187中的编码区164和165的序列的独特序列。要理解的是，可生成其他类型的图案，从而生成在结构光113中的编码元素或编码区164和165。
使用图13中的这种光结构160，在图14和图15中针对代表性的平面物体(图14)和非平面物体(图15)图解说明由照相机108记录的、基于图7的投射器106和照相机108的相关定位的部分代表性的拍摄图像140。从这些图中可以看到，编码的元素组164和165各自位于幻灯片122中的相应投射器子午线187上并且也位于图像140的相应照相机子午线188(在这些图中投射器子午线187和照相机子午线188图解说明为垂直线)。被分析物体111的表面110的特殊形状会引起图像140中经过编码的元素164和165只在沿着照相机子午线188的长度方向上移动。通过分析经过编码的元素164沿着照相机子午线188相对于在幻灯片122中各自经过编码的元素164和165的位置的移动和/或位置，以及相对于在同一经过编码的元素164或165的组中其他经过编码的元素164和165沿着相同或不同的照相机子午线188的移动和/或位置，接着能够对表面110进行期望的3D测量。
结构160可以被用于任何在这里描述的实施例。为了用在特殊的实施例中，应该通过放大、移动或者改变该结构160使得其适合于幻灯片122的视区。此外，必要的话也可以使该结构160变形，使得结构160的经过编码的元素164和165的组与为该特殊实施例所选择的子午线一致。
计算系统104可以包括适合于实现根据本公开的对实物形状进行3D测量的方法的通用计算系统。计算系统104只是合适的计算环境的一个举例，并且其并不试图提出任何对本发明的使用或功能范围的限制。在不同的实施例中，用于实物形状的3D测量的本系统和方法可用于大量的其他通用或专用计算系统环境或配置。适合于与本发明一起使用的公知计算系统、环境和/或配置的例子包括但是并不限于个人计算机、服务器计算机、手提或膝上型装置、多处理器系统、基于微处理器的系统、可编程的消费电子产品、联网的PC、小型计算机、大型计算机、包括任何上述系统或装置的分布式计算环境等。
在不同的实施例中，用于实物形状的3D测量的三角测量算法和方法可以描述在计算机可执行指令的一般语境下，例如被计算机执行的程序模块。程序模块一般包括执行特殊任务或实现特殊的抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。这些算法和方法也可以在分布式计算环境中实施，在这些分布式计算环境中由通过通讯网连接的远程处理设备执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可位于包括存储装置的本地和远程计算机存储介质中。在一个实施例中，计算系统104通过执行一个或更多个计算机程序实施对物体的3D形状测量。计算机程序可以被存储在内存介质或存储介质中，诸如内存和/或ROM中，或它们可以通过网络连接或其他的I/O连接被提供给CPU。
根据这里描述的实施例形成的系统和方法提供使用非接触式结构光三角测量的实物形状的3D测量。这种系统和方法能够快速准确地测量投射在形状复杂的实物的表面的点云(即光结构)在关于系统的坐标系统中的坐标。这些技术可以被应用到整个范围的科学和工程问题，其要求关于物体的表面形状、距离表面的距离或其空间定位的准确数据。本系统和方法在许多领域中都有有用的应用，包括但不限于数字成像、零件形状控制、计算机动画、拍摄具有文化、历史或科学价值的物体的形状、形状识别、地形学、机器视觉、医疗手术、设备和机器人的特殊定位等。

Claims (18)

1.用于实物形状的3D测量的系统，所述系统包括：
投光器，用于将结构光图案投射到物体的表面上，其中所述投光器包括光源、具有位于幻灯片表面的幻灯片图案的幻灯片和由投射器透镜顶点表征的投射器透镜；
用于拍摄所述结构光图案反射在所述物体上的图像的装置，其中用于拍摄图像的装置包括由装置透镜顶点表征的装置透镜；以及
计算装置，用于使用三角测量算法，基于所述幻灯片图案中的点和所述图像中的点之间的对应关系确定关于所述物体的所述形状的测量值，以及
其中所述幻灯片图案包括多个经过编码的元素，其中所述经过编码的元素中的每一个至少由所述经过编码的元素的形状、长度或厚度表征，以及
其中所述多个经过编码的元素被分配到至少第一组或第二组中的一组，第一组和第二组中的每一组包括所述多个经过编码的元素中的至少两个，以及
其中在所述幻灯片表面上定义至少第一幻灯片虚拟线和第二幻灯片虚拟线，其中所述第一幻灯片虚拟线由所述幻灯片表面和经过所述投射器透镜顶点且经过所述装置透镜顶点的第一平面之间的相交线定义，并且所述第二幻灯片虚拟线由所述幻灯片表面和经过所述投射器透镜顶点且经过所述装置透镜顶点的第二平面之间的相交线定义，以及
其中所述第一组经过编码的元素沿着所述第一幻灯片虚拟线定位，并且所述第二组经过编码的元素沿着所述第二幻灯片虚拟线定位。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述投光器进一步由中心光轴表征，并且其中所述投光器和所述用于拍摄图像的装置被布置为使得所述投射器透镜顶点和所述装置透镜顶点之间延伸的线垂直于所述投光器的所述中心光轴。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述用于拍摄图像的装置由中心光轴表征，并且其中所述投光器和所述用于拍摄图像的装置被布置为使得在所述投射器透镜顶点和所述装置透镜顶点之间延伸的线垂直于所述用于拍摄图像的装置的所述中心光轴。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述投光器由投射器中心光轴表征并且其中所述用于拍摄图像的装置由装置中心光轴表征，并且其中所述投光器和所述用于拍摄图像的装置被布置为使得在所述投射器透镜顶点和所述装置透镜顶点之间延伸的线不垂直于所述投射器光轴，也不垂直于所述装置光轴。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述投光器投射的结构光的波长选自于光波长。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述投光器投射的结构光的波长选自于可见波长和红外线波长。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述投光器是闪光光源。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述结构光图案包括可以不定地被分组到一起的多个经过编码的元素，使得在每个组中的所有经过编码的元素形成相对于相邻的经过编码的元素组中的经过编码的元素的序列的独特序列。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述计算装置确定所述物体的表面的三维形状。
10.用于实物形状的3D测量的方法，所述方法包括：
从投光器投射结构光图案到物体的表面上，其中所述投光器包括光源、具有位于幻灯片表面的幻灯片图案的幻灯片和由投射器透镜顶点表征的投射器透镜；
借助用于拍摄图像的装置拍摄所述结构光图案反射在所述物体的表面上的图像，其中所述用于拍摄图像的装置包括由装置透镜顶点表征的装置透镜；以及
基于所述幻灯片图案中的点和所述图像中的点之间的对应关系，使用三角测量算法确定关于所述物体的所述表面的测量值，
其中所述幻灯片图案包括多个经过编码的元素，其中所述经过编码的元素中的每一个至少由所述经过编码的元素的形状、长度或厚度表征，以及
其中所述多个经过编码的元素被分配到至少第一组或第二组中的一组，第一组和第二组中的每一组包括所述多个经过编码的元素中的至少两个，以及
其中在所述幻灯片表面上定义至少第一幻灯片虚拟线和第二幻灯片虚拟线，其中所述第一幻灯片虚拟线由所述幻灯片表面和经过所述投射器透镜顶点且经过所述装置透镜顶点的第一平面之间的相交线定义，并且所述第二幻灯片虚拟线由所述幻灯片表面和经过所述投射器透镜顶点且经过所述装置透镜顶点的第二平面之间的相交线定义，以及
其中所述第一组经过编码的元素沿着所述第一幻灯片虚拟线定位，并且所述第二组经过编码的元素沿着所述第二幻灯片虚拟线定位。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述投光器进一步由中心光轴表征，并且其中所述方法进一步包括将所述投光器和所述用于拍摄图像的装置布置为使得在所述投光器透镜顶点和所述装置透镜顶点之间延伸的线垂直于所述投光器的中心光轴。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述用于拍摄图像的装置由中心光轴表征，并且其中所述方法进一步包括将所述投光器和所述用于拍摄图像的装置布置为使得在所述投光器透镜顶点和所述装置透镜顶点之间延伸的线垂直于所述用于拍摄图像的装置的中心光轴。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述投光器由投射器中心光 轴表征并且其中所述用于拍摄图像的装置由装置中心光轴表征，并且其中所述方法进一步包括将所述投光器和所述用于拍摄图像的装置布置为使得在所述投射器透镜顶点和所述装置透镜顶点之间延伸的线不垂直于所述投射器中心光轴，也不垂直于所述装置中心光轴。
14.根据权利要求10所述的方法，进一步包括投射波长选自光波长的结构光。
15.根据权利要求10所述的方法，进一步包括投射波长选自可见波长和红外线波长的结构光。
16.根据权利要求10所述的方法，进一步包括从闪光光源投射所述结构光。
17.根据权利要求10所述的方法，其中所述结构光图案包括能够被可变地分组到一起的多个经过编码的元素，使得在每个组中的所有所述经过编码的元素形成相对于其他相邻的经过编码的元素组中的经过编码的元素的序列的独特序列。
18.根据权利要求10所述的方法，进一步包括确定所述表面的三维形状。
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