CN102203578A

CN102203578A - 通过主动立体观察来对轮胎表面的凸纹的评定

Info

Publication number: CN102203578A
Application number: CN2009801427459A
Authority: CN
Inventors: A·若利
Original assignee: Michelin Recherche et Technique SA Switzerland; Societe de Technologie Michelin SAS
Current assignee: Michelin Recherche et Technique SA Switzerland; Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2009-11-03
Publication date: 2011-09-28
Also published as: JP2012508370A; FR2938330A1; US9239274B2; BRPI0921581A2; WO2010052196A1; US20120007956A1; EP2347237A1

Abstract

本发明涉及一种用于捕获轮胎P的表面的数字凸纹影像的设备，该设备包括：两部彩色照相机(13a、13b)，用于立体影像的捕获，每部照相机包括针对给定的基本颜色(R、G、B)的N个基本影像传感器(131a、132a、133a、131b、132b、133b)，N大于或等于2，所述照相机被布置成对光进行捕获，所述光使用照射装置(231、232、233)朝向预定区域(Z)发射(E)并且被所述轮胎的表面反射(F)；N个照射装置(231、232、233)，根据被照射的和未被照射的给定宽度(L₁、L₂、……L_N)的交替的谱带组成的条纹系统(S₁、S₂、……S_N)，这N个照射装置各自独立地并且沿着相同的方向朝轮胎的表面的所述区域(Z)发射光，所述光的波长与照相机的基本颜色(R、G、B)中的一个相对应。

Description

通过主动立体观察来对轮胎表面的凸纹的评定

技术领域

本发明涉及可视化的轮胎检查的领域。

通常而言，这种检查要求操作人员的技术，操作人员通过视觉检查轮胎，以检测在轮胎的表面上可见的可能的缺陷。这些操作费时且花费较高，因此制造商积极地寻求用于辅助操作人员的装置。

在此背景之下，已证实了有必要取得待检轮胎表面的凸纹的数字表示，其目的在于，在分析和处理之后，可以将该数字表示与表面的参考影像进行比较，或者将其与来自模型的数据进行比较。这种表面的数字表示也称为表面的凸纹影像。

更特别地，本发明涉及表面的凸纹影像的立体捕获的领域。

背景技术

目前已经有多种影像捕获的方法被公开，它们的目的是向数字处理装置提供尽可能相关的数据，这些数字处理装置能够将所述影像与参考影像进行比较，以确定被分析的轮胎是否符合要求。

利用经典的立体观察技术，已经提出了使用两部分离的照相机的方案，这两部照相机分别专用于与凸纹有关的数据的捕获以及与外观有关的数据的捕获，所述外观例如颜色、灰度级或者亮度。

这种方案被称为被动立体方案，其要求来自两个捕获装置的影像相对应。这些对应可以使用影像的特征元素而确定，例如特征角落或轮廓的出现。然后确定被两部照相机所观察的表面上的相同的点的不同视图的角度，从而通过三角测量而计算表面的坐标。

然而，为了使计算的算法被适当地执行，需要一些假定。这是因为，当待测表面具有反光或折光区域的时候，可能会出现模糊性。在这种情况下，所述算法不能正确地确定两部照相机的像素之间的对应。此外，与人类大脑不同的是，它们并不知道地势或者待分析影像的环境。因此，可能有必要在分析的过程中加入操作人员以对将被进行对应的点进行选择。

因此，与被动光学技术相比，被称为主动技术的捕获技术得以发展，这些捕获技术在于将光学信号发送到待被重构的表面上，该表面由不同角度的照相机进行观察，从而易于使所述表面的点对应。

这些方法在于使用已知的发光部件照射表面，所述发光部件被照相机的光学接收器所感知。通过得知所述部件的元件，能够便利两部立体照相机记录的影像进行对应的操作，并且上述模糊性的问题因此而在分析的过程中得以解决。

最通常使用的一种结构的光发射算法在于，使用由一系列二进制特征构成的光来照射表面，这些二进制特征由谱带组成，包括交替的被照射的线条和未被照射的线条，这些内容将在下文中更加详细地进行解释。与此同时，照相机捕获这些一系列的连续影像，其中表面上的每个点可以是被照射的或未被照射的。然后能够重构被两部照相机所观察到的这些交替的被照射以及未被照射的谱带，按照一一对应的方式确定光带，以确定无疑地来定位表面上的点，并且使来自两部照相机的影像相对应，从而重构表面的凸纹影像。

合理地使用这些照射算法，因此能够捕获轮胎表面的影像，同时避免在表面的凸纹非常细碎的时候由阴影区域带来的影响，但是还为影像处理装置提供了足够的信息，以区分由污点或颜色变化带来的亮度影响。

当需要对影像捕获周期进行优化的时候，特别是在需要确定轮胎的凸纹的界限的时候，应用上述测定轮胎表面的凸纹的方法可以包括一些适配。

图1示出了常规应用的情况，其中照射装置20向胎面上发射条纹系统，并且其中立体照相机10a和10b设置成捕获由照射装置20发出(E)的并且被轮胎P的表面反射(F)的光。所述轮胎安装于车轮31的轮辋30上，车轮31通过电机驱动的支撑毂32而围绕轴线D旋转。

在每个捕获动作中，照相机记录胎面的表面的成角度α的部分的两个立体影像。通过使轮胎围绕旋转轴线D旋转过一个完整的圆周并且将立体照相机的每一者所取得的2π/α个影像对接在一起而获得胎面的完整的影像。

所述算法的实施也要求在图2、3和3a中显示的那些类型的条纹系统S连续地一个接一个地被发射。这些条纹系统包括根据预先确定的二进制代码的已知宽度的交替的被照射的和未被照射的谱带(S1、S2、S3、S4)，并且所述条纹系统与编码和解码技术有关，这些编码和和解码技术使被发射的且记载在照相机中的影像的条纹能够被识别。

立体照相机捕获连续发射到轮胎的表面上的条纹系统S1、S2、S3和S4的每一者的影像。

参考图3a和3b，条纹系统S1对应于第一行。条纹系统S2对应于第二行，条纹系统S3对应于第三行，条纹系统S4对应于第四行。当然，可以发射的条纹系统的数量并不受到限制。

包括已知算法(那些未构成本发明的任何部分的算法)的处理系统对所述影像进行解码，从而将连续的照明度与轮胎表面上的每一点联系起来，以解决任何定位的非单值性问题。

因此，第一种方法在于将条纹系统的每一者连续地发射到轮胎的一部分上，然后通过使轮胎围绕其轴线旋转而在连续的角度上重复该操作。第二种方法在于使每一条纹系统在轮胎的完整旋转中取得影像，并且进行与被发射的条纹系统的数量相同的旋转。

无论选择哪种方法，都已经发现，这些连续的旋转耗费相当长的时间，并且降低了检查系统的效率。这些方案还需要特别精确的编码和同步装置。

为了缩短捕获时间，可以设置与被发射的条纹系统的数量N相同数量的条纹发射设备，这些条纹发射设备与用于轮胎表面的数字凸纹影像的捕获的立体影像装置相关，该方案在US 4175862所公开的内容中被提出。

按照这种方式，通过使轮胎围绕其旋转轴线完成一周旋转，能够捕获被N个条纹系统所照射的轮胎的完整表面的2N个影像，这些影像来自2N个立体照相机。

然而，这种设备需要大量的照相机和发射器，它们可能彼此干扰并且可能具有另外的缺点，即需要很多另外的计算以使表面的N个凸纹影像彼此配准。

发明内容

根据本发明的用于取得轮胎的表面的数字凸纹影像的捕获设备包括：

-两部彩色照相机，用于立体影像的捕获，每部照相机包括针对给定的基本颜色的N个基本影像传感器，N等于或大于2，这N个基本影像传感器被布置成对光进行捕获，所述光由照射装置朝向轮胎的表面的预定区域发射并且被所述轮胎的表面反射；和

-N个照射装置，根据被照射的和未被照射的给定宽度的交替的谱带组成的条纹系统，这N个照射装置各自独立地并且沿着相同的方向朝轮胎的表面的所述区域发射光，所述光的波长与照相机的基本颜色中的一个相对应。

对于相同角度的扇形来说，所述照相机的每一者同时取得一组条纹系统的影像，如下文所述，轮胎的表面上的给定点被认为在一个条纹系统中被照射并且在另一个条纹系统中未被照射，而这并不重要。

因此，在轮胎围绕其轴线进行的单周旋转中，获得需要分析的轮胎的一部分的圆周表面的N对影像，每对影像来自位于彩色照相机的每一者中的针对给定颜色的两个传感器。这些N对影像构成N个条纹系统的N个立体影像。

因为所述影像是同时取得的，所以本发明的优点还在于减少了影像配准和照相机校正操作的数量。同样地，该捕获模式避免了来自照射装置的任何光的问题。

附图说明

下面的描述将有助于更好地理解根据本发明的捕获系统，该描述以附图1至6作为支持，在附图中：

-图1示出了常规的立体观察设备的示意图；

-图2示出了使用条纹系统来照射的胎面的表面的摄影视图；

-图3a示出了根据二进制代码构成的条纹系统；

-图3b示出了根据格雷代码构成的条纹系统；

-图4示出了根据本发明的设备的示意图；

-图5示出了彩色照相机中使用的基本颜色的波长分布光谱的例子；以及

-图6是示意图，其示出了在根据本发明的立体图像捕获装置中使用彩色照相机的原理。

具体实施方式

如上文所述，图1中所示的设备示意性地示出了用于立体图像的捕获的装置10，该装置10由两部照相机10a和10b构成，每部照相机配备有入射物镜，来自轮胎P的表面的预定区域Z的反射光F通过入射物镜进入以进行检查，在该实施例中的预定区域Z是胎面。所述表面由照射装置20照射，该照射装置20能够将一个或多个条纹系统发射到由相机的目镜所观察的轮胎的表面上，所述条纹系统包括交替的被照射的谱带和未被照射的谱带。

图2是由条纹系统照射的轮胎P的胎面的所述区域Z的摄影视图。光线相互平行并且优选地分布在圆周方向上。

在实施本发明的情况下，还可以想到使构成条纹系统的光线横向分布、径向分布、或者特别地在分析轮胎的胎侧的表面的情况下构成同心圆形线的系统。

图3a和图3b示出了条纹系统的实施例，其中条纹系统的谱带的宽度与谱带的数量成反比。因此，条纹系统S2的谱带的宽度等于条纹系统S1的谱带的宽度的一半，条纹系统S3的谱带的宽度等于条纹系统S2的谱带的宽度的一半，以此类推。换言之，条纹系统(S₁、S₂、……S_N)的每一者的谱带的宽度(L₁、L₂、……L_N)是具有最小谱带宽度L₄的条纹系统的谱带的宽度的模数倍，该模数为2ⁿ，n从1变化到N-1，在图3a和图3b中所示的实施例中，N等于4。

因此，条纹系统的序数N越大，谱带的宽度越小，分析的精确度越高，但是捕获时间越长并且计算时间也越长。此外，条纹的宽度受到照相机的传感器的分辨率的限制。

由于在检查的表面与其外界环境之间存在相互反射，所以有时候可以证明难以确定照相机所观察到的像素是被照射的还是未被照射的。此外，二进制代码受到光的谱带边界处的误差的累计的影响。具体而言，可以观察到，在图3a中所示的二进制代码中，第8列和第9列之间的边界出现在所有的条纹系统中。

图3b示出了一种由格雷(贝尔实验室，1953)提出的特别的代码，可供参考的内容包括：该代码在2001年举行的关于计算机影像的国际会议上由Hall-Holt和Rusinkiewicz进行了描述，或者，在Rusinkiewicz、Hall-Holt和Levoy出版的文章“Real-time 3D model acquisition”，Proceedings of SIGGRAPH 2002，Volume 21，pages 438-446 in July 2002(“实时3D模型捕获”，美国计算机协会会议记录2002，卷21，2002年7月，第438-446页)中进行了描述。这种特别的代码在于，使用光条纹的系统照射表面，条纹的宽度在每个连续的影像中也是以两倍的倍数减小，但是其中在两个谱带之间的每一边界只出现一次。所述设备解释了如何能够减小在边界区域中发生的分析误差。

为了提高捕获和分析的可靠性，已经有其它的代码和其它的重建算法被提出，例如所述的由Hall-Holt和Rusinkiewicz提出的代码，但是，解释产生被构成的影像的这些不同装置如何使用并非本发明的中心，本发明的中心所要说明的是，它们实质上在于使用条纹系统来根据给定的代码照射将要测定的表面，这些条纹系统包括交替的被照射的谱带和未被照射的谱带。

为了最好地利用所述的成果，对照射装置的每一者所发射的条纹系统的叠加进行设置，以使得边界区域被对齐。

根据本发明的设备在图4、5和6中示出。

在该捕获设备的实施例中可知，为了获得足够的精确度，所发射的条纹系统的数量较少。实际上可知，三个或四个条纹系统的发射足矣，并且本发明的目的就是要利用该条件。

根据本发明的设备包括由两部彩色照相机13a和13b构成的立体影像捕获装置。

在当前使用的技术中，这种照相机包括能够将来自图像待捕获的物体的反射光分离成一定数量的基本颜色(R、G、B)的装置。

这些分离装置可以由组合的棱镜构成，或由滤镜构成，所述滤镜由基本颜色的颜色组件组成，并且被称为拜耳滤镜(Bayer filter)。这些装置的功能是将光分离成一定数量的颜色，这些颜色称为基本颜色或基础颜色。一般情况下，这种滤镜将光分离成三个基本颜色或基础颜色，即红色R、绿色G和蓝色B。然而，也能够制造出包括多于三个基础颜色的照相机。例如，包括四个基本颜色的照相机也已经上市，即红色R、绿色G和蓝色B和青色。

因此，来自待检物体的反射光F被分解成与基本颜色或基础颜色的数量相同的单色影像。然后，这些影像中的每一者被引导到一个特定的传感器上，该传感器由光敏像素(photosites)组件构成，例如CCD传感器或CMOS传感器，其能够将其接收的大量的光转化成电流。因此，获得了与基本颜色的数量相同的灰度影像。传感器的最大分辨率取决于与构成最终图像的像元数量一致的像素的数量。

本发明在于利用这种彩色照相机的工作方式，以获得关于待检表面的凸纹影像的特别的信息。

为此，参考图4，N个立体影像捕获装置由两部彩色照相机13a和13b的2N个基本影像传感器构成，这N个立体影像捕获装置用于捕获由N个条纹系统照射的轮胎表面的2N个影像，针对所述照相机的每一者的相同的给定的基本颜色的两个传感器构成所述立体图像捕获装置。

那么，照射装置的每一者足以根据给定的一个条纹系统照射表面，所述给定的一个条纹系统的光的波长对应于照相机的一个基本颜色，以使得N个条纹系统能够同时地且独立地被两部照相机的基本颜色传感器观察到。

那么，能够投射到表面上的条纹系统的最大数量N相当于照相机的基本颜色的数量N。

图6示出了构成立体影像捕获装置的一部彩色照相机(13a)的工作过程。相关彩色照相机13b的工作细节与之相同(其中标记a可以被标记b代替)，因此未在图中示出。

入射光F的光线穿过照相机并且分别照射反射棱镜134a(134b)、135a(135b)和136a(136b)，这些反射棱镜将光分离成基础颜色并且反射所述光，从而将光分别引导到置于照相机中的亮度传感器131a(131b)、132a(132b)、133a(133b)上，这些传感器能够形成表面影像。

这些颜色是如图5中所示的基础颜色，其中蓝色B基本上对应于450nm的波长，绿色G对应于550nm的波长，红色R对应于680nm的波长。

因此，足以使照射装置231布置成发射对应于蓝色的在450nm波长下的第一条纹系统S1，并且其包括交替的被照射的蓝色光的谱带和未被照射的谱带，以使该条纹系统被负责该颜色的传感器131a(131b)观察到。不同于第一条纹系统的第二条纹系统S2以550nm的波长被照射系统232同时发射，因此将只被负责绿色的传感器132a(132b)观察到。该条纹系统包括交替的绿色光的被照射的谱带和未被照射的谱带。第三条纹系统S3以680nm的波长被照射系统233发射，该条纹系统将被留给红色光的传感器133a(133b)观察到，并且将包括交替的红色谱带和未被照射的谱带。

因此，只使用两部彩色照相机，并且通过采集分别来自彩色照相机的每一者的三个传感器的影像，能够捕获由照射装置同时发射的基于对应于照相机的基础颜色的不同的波长的三个不同条纹系统S1、S2和S3的立体影像。

照相机13a的蓝色基本颜色传感器131a与照相机13b的蓝色基本颜色传感器131b(未示出)相关。这两个传感器构成用于取得轮胎表面的立体影像的捕获装置，该轮胎表面由照射装置231发射的对应于蓝色的条纹系统S1照射。照相机13a的绿色基本颜色传感器132a与照相机13b的绿色基本颜色传感器132b(未示出)相关。这两个传感器构成用于取得轮胎表面的立体影像的捕获装置，该轮胎表面由照射装置232发射的对应于绿色的条纹系统S2照射。最后，照相机13a的红色基本颜色传感器133a与照相机13b的红色基本颜色传感器132b(未示出)相关。这两个传感器构成用于取得轮胎表面的立体影像的捕获装置，该轮胎表面由照射装置233发射的对应于红色的条纹系统S3照射。

因此，两部彩色照相机13a和13b同时观察到三个条纹系统，并且由这三个条纹系统照射的胎面的整个表面的影像的捕获可以在轮胎围绕其旋转轴线D做出一周完整旋转的过程中产生。

轮胎的表面上的给定点可以同时被两个不同的颜色照射，例如蓝色和绿色，并且该点将被认为是在条纹系统S1和S2中被照射以及被认为是在条纹系统S3中未被照射。

为了避免由于以不同的角度向轮胎的表面上发射光而产生畸变，照射装置23由三个照射装置231、232和233构成，这三个照射装置中的每一者能够根据给定的条纹系统且以给定的波长照射轮胎的表面。因此，装置231以对应于蓝色B的波长发射第一条纹系统S1，装置232以对应于绿色G的波长发射第二条纹系统S2，装置233以对应于红色R的波长发射第三条纹系统S3。这三个条纹系统同时被发射，并且使用半反射镜234以相同的给定角度而引导到轮胎的表面上。

为了限制由对应于近红外光的波长所引起的寄生效应，经证明有利的方法是在照相机的物镜上放置滤光镜，该滤光镜能够限制波长大于750nm的光线的进入。还可以加上其它带通滤光镜，以防止波长不合要求的光的进入。因此，更一般性地，其目的在于过滤波长不同于用于所选照射的波长的光线的通过。

为了实施如上所述的根据本发明的立体影像捕获设备，经证明有利的是，进行另外的N+1次待检测的轮胎表面的影像的捕获，从而以自动的方式来确定区分被照射谱带和未被照射谱带的校正阀值。为此，通过使用对应于基础颜色的每一者的照射装置的每一者，连续地照射轮胎的整个表面，并且照射条纹，形成N个影像，并且形成另一影像，在该影像中所有的照射被消除。

Claims

1.一种捕获设备，用于取得轮胎P的表面的数字凸纹影像，该捕获设备包括：

-两部彩色照相机(13a、13b)，用于立体影像的捕获，每部照相机包括针对给定的基本颜色(R、G、B)的N个基本影像传感器(131a、132a、133a、131b、132b、133b)，N等于或大于2，这N个基本影像传感器被布置成对光进行捕获，所述光照射装置(231、232、233)朝向轮胎的表面的预定区域(Z)发射(E)并且被所述轮胎的表面反射(F)；和

-N个照射装置(231、232、233)，根据被照射的和未被照射的给定宽度(L₁、L₂、……L_N)的交替的谱带组成的条纹系统(S₁、S₂、……S_N)，这N个照射装置各自独立地并且沿着相同的方向朝轮胎的表面的所述区域(Z)发射光，所述光的波长与照相机的基本颜色(R、G、B)中的一个相对应。

2.根据权利要求1所述的捕获设备，其中由所述照射装置(231、232、233)发射的条纹系统(S₁、S₂、……S_N)具有重叠的边界。

3.根据权利要求2所述的捕获设备，其中条纹系统(S₁、S₂、……S_N)的每一者的谱带的宽度(L₁、L₂、……L_N)是具有最小谱带宽度(L₁)的条纹系统的谱带的宽度的模数倍，该模数为2ⁿ，n从1变化到(N-1)。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的捕获设备，包括轮胎(P)的保持装置(30、31)和相对于所述立体照相机并且相对于所述照射装置而旋转所述轮胎的装置(32)。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的捕获设备，包括数字处理装置，在该数字处理装置中编制有算法程序，这些算法程序能够分析轮胎(P)的表面的2N个影像，从而测定所述表面的数字凸纹。

6.根据权利要求1所述的设备，其中每个彩色相机(13a、13b)包括分离装置(134a、135a、136a)，该分离装置将入射光线(F)分离成N个基本颜色(R，G，B)中的每一者，从而将光的光线导引到多个传感器(131a、132a、133a、131b、132b、133b)上，该多个传感器能够限定轮胎的表面的基本灰度影像。

7.根据权利要求1所述的捕获设备，其中所述基本颜色是红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)。

8.根据权利要求1所述的捕获设备，其中所述基本颜色是红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)和青色。

9.一种捕获方法，其使用根据权利要求1至8中的一项所述的设备来取得轮胎的表面的数字凸纹影像，该捕获方法需要根据N个照射装置发射的N个条纹系统(S₁、S₂、……S_N)而捕获所述被照射的表面的2N个影像，其特征在于，与传感器(131a、132a、133a、131b、132b、133b)的每一者相对应的这2N个影像在使得轮胎绕其旋转轴线做出一周完整旋转的同时而获得。

10.根据权利要求9所述的捕获方法，其需要捕获(N+1)个另外的影像，包括：N个影像，其中连续地使用与基础颜色相对应的N个照射装置，并通过消除多个条纹，从而来照射轮胎的整个表面；以及1个另外的影像，其中所有的照射都被消除，从而校正传感器(131a、132a、133a、131b、132b、133b)的每一者的检测阈值。