CN101868690B - 用于获取三维形貌的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于获取测量对象(2)的三维形貌的装置，该装置包括：二维摄像机(3)；带有光源(4)、用于产生结构化的光的结构生成元件(5)以及光学系统(6)的照明系统，其中照明系统的中轴线(B)相对于二维摄像机(3)的拍摄方向(Z)成角度(α)，并且其中照明系统在测量对象(2)的预先确定的区域(10)上产生焦平面(9)，其中该预先确定的区域(10)小于在测量对象(2)上的、二维摄像机的拍摄区域(13)；移动设备(8)，测量对象(2)设置在该移动设备上，其中测量对象(2)能够借助移动设备(8)相对于二维摄像机以及相对于照明系统移动，其中二维摄像机拍摄测量对象(2)在通过移动设备(8)的移动而占据的不同位置上的多个记录；以及计算单元(7)，其从多个记录中计算测量对象(B)的三维形貌。此外，本发明还涉及一种用于获取三维形貌的方法。

Description

用于获取三维形貌的装置和方法

背景技术

本发明涉及一种用于借助二维摄像机(2D-Kamera)获取测量对象的三维形貌的装置和方法。

为了获取测量对象的三维形貌，在现有技术中使用深度扫描的条纹投影或者其他三维方法。例如，DE 100 56 073 A1公开了一种用于获取三维点云的光学方法，其中使用了三维摄像机，该摄像机与照明系统一同在竖直方向上朝着测量对象移动并且此时拍摄一系列图像。在该已知的方法中，设备结构非常大并且费事。已知的方法此外具有的缺点是，在不利的面积关系情况下，例如在圆形的部件情况下(例如螺钉等等)存在确定三维形貌的困难。

发明优点

根据本发明的具有权利要求1的特征的、用于获取测量对象的三维形貌的装置相对于此具有的优点是，提供了简单构建的并且成本低廉的解决方案，该解决方案也可以检测尤其是在圆形的部件上的困难的三维形貌。根据本发明，在此基于使用结构化的光来得到三维形貌。根据本发明，在此使用具有较小的焦深(

)的结构化的光的投影，使得在二维摄像机的拍摄范围情况下该拍摄范围大于结构化的光的投影的焦点。此外，同时也改变测量对象的位置，使得在具有多个图像的情况下在移动测量对象之后测量对象的点经过所聚焦的区域以及在边缘的被散焦的区域。根据本发明，这通过如下方式来实现：该装置包括二维摄像机，带有光源、用于产生结构化的光的结构生成元件以及光学系统或者物镜的照明系统，用于移动测量对象的移动设备以及计算单元。照明系统在此设置为相对于二维摄像机的拍摄方向成角度。照明系统在此在预先确定的区域中产生结构(例如格栅、结构生成元件)的焦平面，该区域小于二维摄像机的拍摄区域。格栅在此优选横向于运动方向取向。二维摄像机于是拍摄测量对象的多个图像，该测量对象借助移动设备在摄像机之下移动。计算单元随后从二维摄像机的多个图像中计算三维形貌。通过这种方式，根据本发明的装置的结构非常简单并且可以成本低廉地提供。在此，也可以在不利的面积关系情况下例如在圆形的部件的情况下确定部件的三维形貌。因为照明系统朝向摄像机并且朝向测量对象以预先确定的角度倾斜，所以在二维摄像机的图像区域中基本上条(Streifen)的投影的图像中心清晰地成像。投影的图像朝向图像边缘而模糊。通过拍摄测量对象的多个图像，图到图之间仅仅存在小的推移，从而在测量对象上的一点可以在多个所拍摄的图像上找到。通过这种方式，可以将多个图像又彼此关联。特别地，可以通过根据本发明的装置连续地记录数据。

从属权利要求示出了本发明的优选的改进方案。

优选地，移动设备是旋转设备，以便将测量对象围绕轴线旋转。旋转轴线在此优选垂直于二维摄像机的拍摄方向。根据另一优选的替选方案，二维摄像机径向地或者以相对于旋转轴线成0°到90°之间的角度地设置。可替选地，移动设备是推移设备用于横向直线地将测量对象沿着轴线移动。推移设备例如可以是测量对象设置在其上的、可移动的桌或者滑架。

特别优选地，移动设备构建为使得测量对象可连续地移动。由此，尤其是可以实现一种连续处理，使得可以毫无问题地将例如圆形的部件或者连续的带材料等等用作测量对象。

此外优选的是，结构生成元件是条格栅(Streifengiter)，以便在测量对象上产生结构化的光。

根据本发明的另一优选的扩展方案，在二维摄像机的拍摄方向和照明系统之间的角度在30°到50°之间，尤其是45°。

按照本发明的用于获取测量对象的三维形貌的方法，在第一步骤中将测量对象在二维摄像机之下设置在移动设备上。随后，借助照明系统在测量对象上产生结构化的光，其中照明系统设置为相对于二维摄像机的拍摄方向成角度。结构化的光优选是格栅投影，使得格栅的焦平面仅仅在二维摄像机的拍摄范围的部分区域中并且在相邻区域中散焦。随后，借助投影到其上的结构在第一位置中拍摄该测量对象的第一图像并且随后测量对象借助移动设备移动到第二位置中并且拍摄第二图像。拍摄图像和借助移动设备移动测量对象的步骤于是被频繁地重复，直到在相对于二维摄像机的不同相对位置中得到了测量对象的预先确定数目的记录。随后，基于所拍摄的记录计算三维形貌。

进一步优选的是，在根据本发明的方法中连续地移动测量对象。通过这种方式可能的是，可以记录连续数据，如例如在圆形部件或者连续的带材料情况中所需的那样。可替选地，测量对象按步地被移动，其中在移动设备的停止状态的时刻时借助二维摄像机来进行拍摄。这些步在此尽可能地小，优选为几微米。

特别优选的是，借助深度扫描的条纹投影的算法或者白光干涉测量法来计算三维形貌。借助这些算法精确地找到最高调制的点并且基于该点于是可以计算测量对象的三维形貌。通过触发和相关方法，在此可以保证单个记录的最佳一致的叠加。

根据本发明的方法特别优选地用于检测所谓的咬边(Beisskanten)。这种咬边例如在将两个金属部件接合时使用，其中在第一部件上的咬边咬入第二部件的材料中。在此，咬边必须在其整个长度上连续精确地构建，这例如可以借助根据本发明的方法来检测。

附图说明

下面参照附图详细地描述本发明的优选实施例。其中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的用于获取三维形貌的装置的示意图；并且

图2示出了根据本发明的一个实施例的移动测量对象和拍摄多个图像的示意图。

具体实施方式

下面参照图1和2详细描述用于获取测量对象2的三维形貌的装置1以及方法。

如从图1中可以看到的那样，用于获取测量对象2的三维形貌的装置1包括：二维摄像机3；包括光源4、格栅5和光学系统6的照明系统；计算单元7；以及移动设备8。测量对象2设置在移动设备8上。移动设备8可以在轴线A的方向上(例如在图1中向左边)移动。如从图1中可以看到的那样，照明系统的中轴线B设置为相对于二维摄像机3的拍摄方向成大约45°的角α。通过这样将照明系统设置为相对于拍摄方向Z成角α而得到焦平面9，该焦平面在图1中示意性地表明。由此，在二维摄像机的整体拍摄区域13中，在测量对象10上得到聚焦的区域10以及第一散焦区域11和第二散焦区域12。在此，第一和第二散焦区域11、12分别相邻于聚焦的区域10设置。通过格栅5由此在聚焦的区域10中得到格栅在测量对象2上的清晰投影，使得聚焦区域10大致位于拍摄区域13的图像中心。格栅的投影朝着图像边缘在第一和第二散焦区域11和12中变得模糊。

根据本发明的用于获取测量对象2的三维形貌的装置1的功能在此如下所述。在将测量对象2设置在移动设备8上之后，接通照明系统，使得(相应于格栅5的)条格栅形式的结构化的光投影在测量对象2上。格栅在此在聚焦区域10中清晰并且在第一和第二散焦区域11、12中不清晰。随后，借助二维摄像机3来进行第一成像201。随后，借助移动设备8进行侧向移动，使得测量对象2朝着图1中的箭头C的方向移动预先确定的值。通过这种方式，如图2中所表明的那样将测量对象2的突出区域2a略微向左推移，使得该区域从焦平面9移出。为此，紧接着该测量对象的突出区域2a的区域2b进入焦平面9中。于是，借助二维摄像机生成第二图像202。在图2中示意性示出了图像201至205的拍摄，其中测量对象2缓慢地从右向左移动。由此，记录与记录之间仅仅产生小的推移，由此可以在多个记录201至205中找到测量对象2上的一点。由此，又可以将相同的点彼此关联。这些记录被存储在存储器中并且随后被反向分类(ruecksortiert)，使得在测量对象2的表面上的点可以被分类为使得焦点的连续调谐是可见的。点的该序列现在可以用来例如借助深度扫描的条纹投影算法或者白光干涉测量法来精确地找到最高或者最强的调制的点。借助计算单元7于是可以从多个这样计算的调制点计算出三维形貌。在此可以通过触发和相关方法来保证各个记录201至205的最佳一致的叠加。

由此，在根据本发明的方式中能够拍摄如例如在圆形部件例如螺丝等等的情况下所出现的连续数据。根据本发明，由此利用了：在具有小的焦深的格栅条纹投影的三角测量布置情况下，条的焦点以及测量对象2的横向位置同时发生变化。这通过根据本发明的二维摄像机的布置、相对于二维摄像机成角度地设置的照明系统以及用于测量对象2的移动设备8来实现。

Claims (13)

1.一种用于获取测量对象(2)的三维形貌的装置，该装置包括：

-二维摄像机(3)，

-带有光源(4)、用于产生结构化的光的结构生成元件(5)以及光学系统(6)的照明系统，其中该照明系统的中轴线(B)相对于该二维摄像机(3)的拍摄方向(Z)成角度(α)地被设置，

-移动设备(8)，所述测量对象(2)设置在该移动设备上，其中所述测量对象(2)能够借助移动设备(8)相对于二维摄像机以及相对于照明系统移动，其中二维摄像机拍摄所述测量对象(2)在通过移动设备(8)的移动而占据的不同位置上的多个记录，以及

-计算单元(7)，其从多个记录中计算测量对象(B)的三维形貌，

其特征在于，

该照明系统在所述测量对象(2)的预先确定的区域(10)上产生焦平面(9)，其中该预先确定的区域(10)小于在测量对象(2)上的二维摄像机的拍摄范围(13)，由此，该结构化的光仅仅在二维摄像机拍摄范围的部分区域内聚焦而在相邻区域散焦，从而使得在借助移动设备移动测量对象时，测量对象的点经过聚焦区域和散焦区域。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述移动设备(8)是用于测量对象(2)的旋转移动的旋转设备，或者所述移动设备(8)是用于沿着轴线(A)将测量对象(2)直线移动的推移设备。

3.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述移动设备(8)连续地移动所述测量对象(2)。

4.根据权利要求1或者2所述的装置，其特征在于，所述结构生成元件(5)是带有多个彼此平行设置的条的条格栅。

5.根据权利要求1或者2所述的装置，其特征在于，在所述二维摄像机(3)的拍摄方向(Z)和所述照明系统的中轴线(B)之间的角度(α)在30°到50°之间°。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，在所述二维摄像机(3)的拍摄方向(Z)和所述照明系统的中轴线(B)之间的所述角度(α)为45°。

7.一种用于获取测量对象(2)的三维形貌的方法，包括以下步骤：

(a)将测量对象(2)设置在移动设备(8)上在二维摄像机(3)之下，

(b)借助带有光源(4)、结构生成元件(5)和透镜(6)的照明系统在测量对象(2)上产生结构化的光，其中该照明系统的中轴线(B)相对于二维摄像机(3)的拍摄方向(Z)成角度(α)地被设置，并且其中在所述测量对象(2)上产生结构化的光，使得在测量对象(2)上的焦平面(9)仅仅包括二维摄像机(3)的拍摄范围(13)的部分区域，由此，该结构化的光仅仅在二维摄像机的拍摄范围的部分区域内聚焦而在相邻区域散焦，

(c)在第一位置中借助在测量对象(2)上产生的结构化的光拍摄所述测量对象(2)的第一图像，

(d)借助所述移动设备(8)将测量对象(2)移动到第二位置中，

(e)重复步骤(c)和(d)，直到获得了测量对象(2)在不同位置中的预先确定数目的记录，在借助移动设备移动测量对象时，测量对象的点经过聚焦区域和散焦区域，并且

(f)基于所拍摄的记录计算三维形貌。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

所述结构化的光是格栅投影的结构化的光。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，连续地借助移动设备(8)来移动所述测量对象(2)。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，逐步地移动所述测量对象(2)，并且在所述移动设备(8)的停止状态期间借助二维摄像机(3)来进行拍摄。

11.根据权利要求7至10中的任一项所述的方法，其特征在于，基于白光干涉测量算法来计算三维形貌。

12.根据权利要求7至10中的任一项所述的方法，其特征在于，借助所述移动设备(8)来旋转或者直线移动所述测量对象(2)。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，借助所述移动设备(8)来旋转或者直线移动所述测量对象(2)。

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