CN102472613B - 测量设备和测量方法 - Google Patents

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    • G06T7/50—Depth or shape recovery
    • G06T7/521—Depth or shape recovery from laser ranging, e.g. using interferometry; from the projection of structured light

Abstract

一种测量设备，包括：投影控制单元，用于使投影单元将第一光图案、第二光图案和第三光图案投影至被摄体，其中，所述第一光图案具有亮部和暗部，所述第二光图案的亮部和暗部之间的距离小于所述第一光图案的亮部和暗部之间的距离，所述第二光图案具有与所述第一光图案共同的、亮部和暗部之间的边界位置，以及通过将所述第二光图案的亮部和暗部相互反转而得到所述第三光图案；获取单元，用于获取被投影了所述第一光图案的所述被摄体的第一拍摄图像、被投影了所述第二光图案的所述被摄体的第二拍摄图像、以及被投影了所述第三光图案的所述被摄体的第三拍摄图像；以及计算单元，用于基于所述第二拍摄图像和所述第三拍摄图像计算所述第一拍摄图像的亮部和暗部之间的边界位置，以测量所述被摄体的位置。

Description

测量设备和测量方法
技术领域
本发明涉及一种用于基于被投影了具有亮部和暗部的图案化光的被摄体的拍摄图像来进行测量的测量设备和测量方法。 
背景技术
已知一种图案投影方法，在该图案投影方法中，拍摄被投影了数次图案化光的被摄体，以使用三角测量原理来根据图案的变形测量被摄体的形状。在其它方法中，在三维测量中经常使用空间编码方法，在空间编码方法中，投影以特定间隔交替配置亮部和暗部的条纹光图案，并且对空间进行二进制编码。 
图13示出使用空间编码方法的被摄体形状测量设备的结构和测量方法的概念。通常，该形状测量设备包括用于向要测量的被摄体投影图案的投影仪130和用于拍摄反射图案的照相机131。投影仪130将以特定间隔交替配置亮部和暗部的条纹光图案投影至被摄体132。条纹光图案具有预定多个图案形状，并且将每一个图案形状投影至被摄体132。 
拍摄被投影了这多个图案形状的被摄体132以获取图像数据。在图13中，将被摄体132的亮部和暗部的边界位置作为(X，Y，Z)。将通过连接边界位置(X，Y，Z)与投影仪130和照相机131所确定的投影仪130和照相机131的光线位置分别作为(X1，Y1)和(X2，Y2)。 
可以通过照相机131的图像传感器(CCD传感器或CMOS传感器)的水平坐标确定照相机131的光线位置(X2，Y2)。根据图像传感器的水平宽度和垂直宽度确定水平坐标。例如，对于640×480像素的图像传感器，水平方向上的x坐标具有值0～ 640，并且垂直方向上的y坐标具有值0～480。 
同样，可以通过光投影传感器(CCD传感器或CMOS传感器)的水平坐标确定投影仪130的光线位置(X1，Y1)。根据设备的结构条件确定投影仪130和照相机131之间的基线长度L。可以使用三角测量原理根据这些参数确定被摄体132的边界位置(X，Y，Z)。通过全面确定被摄体132的边界位置(X，Y，Z)，使得能够测量被摄体132的三维形状。 
下面说明测量所使用的条纹光图案的形状。图14A、14B和14C示出以相等间隔交替配置亮部和暗部的二进制编码条纹光图案。反射图案的黑色部分对应于0，并且白色部分对应于1。 
在图14A中，将整个区域分成两个部分，并且将2个区域编码为1和0。在图14B中，对每一个对分区域进一步进行对分，并且将4个区域编码为1、0、1和0。投影并拍摄相应的条纹光图案。 
在图14C中，对每一个四分区域进行对分，并且将8个区域编码为1、0、1、0、1、0、1和0。投影并拍摄相应的条纹光图案。因此，向各区域设置编码区域号码以使得能够确定各区域。 
在图14A、14B和14C中，可以确定各区域为(1，1，1)、(1，1，0)、(1，0，1)、(1，0，0)、(0，1，1)、(0，1，0)、(0，0，1)和(0，0，0)。这被称为三位空间编码。当详细测量形状时，在顺序对分区域的同时投影n个条纹光图案，并且设置区域号码以使得能够确定各区域，其中，将被投影仪投影了条纹光图案的区域分成2n(2的n次方)个。在一般三维测量中，进行8位或9位编码。 
在图14C中，亮部和暗部在宽度上最小。将该条纹光图案称为LSB图案光。将亮部和暗部的宽度称为最小宽度。可以基于图像传感器的水平宽度W和位数确定最小宽度的大小。在N 位空间编码中，最小宽度＝W/(2n)。 
代替图14A、14B和14C中的简单二进制码，空间编码可以使用具有编码容错的被称为格雷码的二进制码。图15A、15B和15C示出格雷码。在图15A中，将2个区域编码为1和0。在图15B中，将4个分割区域编码为1、0、0和1。在图15C中，将8个分割区域编码为1、0、0、1、1、0、0和1。 
即使在格雷码中，类似地获得最小宽度的概念作为最小宽度＝W/(2n)。即使由于空间编码图案的位移或模糊而在区域之间的边界发生编码错误，使用格雷码也不会在整个区域中导致编码错误。通常，空间编码方法使用格雷码。 
需要根据拍摄图像数据精确确定亮部和暗部之间的水平x坐标位置(以下称为边界位置)来提高空间编码方法的三维测量的精度。图16A和16B是描述亮部和暗部之间的边界位置的图。图16A和16B是示出拍摄图像数据的亮度和水平坐标x的图。 
图16A示出理想边界位置。在图16A中，唯一确定亮部和暗部之间的边界位置，并且将位置“a”和“b”确定为边界位置。然而，在实际测量中，如图16B所示，由于空间编码图案的模糊、被摄体的反射率和外部光的影响，在边界位置附近形成缓和的直线，这使得难以唯一确定边界位置。 
在非专利文献1(Seishi Iguchi and Kousuke Sato，“Three Dimensional Image Measurement，”pp.80 to 91，Shokodo，1990)和非专利文献2(The Institute of Electronics，Information and Communication Engineers(IEICE)TRANSACTIONS，D Vol.J71-D，No.7，pp.1249 to 1257)中说明了用于确定上述边界位置的方法。 
图17A和17B示出作为用于确定上述边界位置的方法之一的平均图像比较方法。图17A示出要投影的条纹光图案。条纹 光图案20是利用3位格雷码所空间编码的光图案。作为图案光，准备仅具有亮部的全明图案23和仅具有暗部的全黑图案24。将5个不同条纹光图案投影至被摄体，并且拍摄被投影了条纹光图案的被摄体。 
图17B是示出拍摄图像数据的亮度和水平坐标x之间的关系的图。亮度线173是使用条纹光图案20中的任一个所拍摄的图像数据的边界位置附近的亮度线。亮度线174是使用全明图案23所拍摄的图像数据的亮度线。亮度线175是使用全黑图案24所拍摄的图像数据的亮度线。 
对亮度线174和175进行平均以获得平均值作为亮度线176。条纹光图案20的亮度线173和平均值的亮度线176在位置“a”处相互相交。将通过上述处理所确定的位置“a”作为边界位置。以上所述的就是平均图像比较方法。 
图18A和18B示出作为用于确定上述边界位置的方法之一的互补图案投影方法。图18A示出要投影的条纹光图案。条纹光图案20是通过3位格雷码所空间编码的条纹光图案。条纹光图案180是使条纹光图案20的亮部和暗部反转的条纹光图案。将这6个不同的条纹光图案20投影至被摄体，并且拍摄被投影了条纹光图案的被摄体。 
图18B是示出拍摄图像数据的亮度和水平坐标x之间的关系的图。亮度线181是使用条纹光图案20中的任一个所拍摄的图像数据的边界位置附近的亮度线。 
亮度线182是使用反转图案光所拍摄的图像数据的亮度线。类似于亮度线181的相对位置，设置亮度线182的水平坐标上的相对位置。亮度线181和182在位置“b”处相互相交。将通过上述处理所确定的位置“b”作为边界位置。以上所述的就是互补图案投影方法。 
在N位空间编码中，对于这两个方法所需的图案的数量，在互补图案投影方法中至少为2N，并且在平均图像比较方法中至少为(N+2)。当N＝1时，平均图像比较方法所需的图案的数量比互补图案投影方法所需的图案的数量大1。当N大于1时，互补图案投影方法所需的图案的数量大于平均图像比较方法所需的图案的数量。 
实际上，在N＝1时，仅编码两个区域因而不允许进行三维测量，因此，通常，互补图案投影方法所要拍摄的图案的数量大于平均图像比较方法所要拍摄的图案的数量。使用格雷码的条纹光图案说明这两个方法。对于图14A、14B和14C所示的二进制码同样成立。当使用空间编码方法时，通常使用上述方法中的任一个来确定亮部和暗部之间的边界位置。 
下面总结上述两个方法的优缺点。在互补图案投影方法中，使用投影至被摄体的两个图像以使得能够抵消由于被摄体的形状和反射率而造成的影响。为此，与平均图像比较方法相比，互补图案投影方法可以更精确地确定边界位置。 
然而，通常，与平均图像比较方法相比，互补图案投影方法所要投影的图案的数量较大。特别地，在三维测量中，通常以8位或9位的高位进行测量，导致要投影的图案的数量倍增，从而增大测量时间段。另一方面，平均图像比较方法所要投影的图案的数量小于互补图案投影方法所要投影的图案的数量，使得能够缩短测量时间段。然而，在计算边界位置中，与互补图案投影方法相比，平均图像比较方法更可能产生错误。 
例如，根据全明图案和全黑图案之间的平均值确定边界位置，由于被摄体的形状和反射率的影响而产生错误。此外，基于该平均值确定出的边界位置不一定合理。 
在实际测量中，互补图案投影方法和平均图像比较方法在 边界位置上相差数个像素，这可以导致毫米级的差异。如上所述，传统技术难以精确且快速地确定亮部和暗部之间的边界位置。 
文献列表
非专利文献
NPL 1：Seishi Iguchi and Kousuke Sato，“Three Dimensional Image Measurement，”pp.80 to 91，Shokodo，1990 
NPL 2：The Institute of Electronics，Information and Communication Engineers(IEICE)TRANSACTIONS，D Vol.J71-D，No.7，pp.1249 to 1257 
发明内容
本发明旨在一种能够基于被投影了图案光的被摄体的拍摄图像而精确且快速地测量被摄体的位置的测量设备、测量方法和程序。 
根据本发明的一个方面，一种测量设备包括：投影控制单元，用于使投影单元将第一光图案、第二光图案和第三光图案投影至被摄体，其中，所述第一光图案具有亮部和暗部，所述第二光图案的亮部和暗部之间的距离小于所述第一光图案的亮部和暗部之间的距离，所述第二光图案具有与所述第一光图案共同的、亮部和暗部之间的边界位置，以及通过将所述第二光图案的亮部和暗部相互反转而得到所述第三光图案；获取单元，用于获取被投影了所述第一光图案的所述被摄体的第一拍摄图像、被投影了所述第二光图案的所述被摄体的第二拍摄图像、以及被投影了所述第三光图案的所述被摄体的第三拍摄图像；以及计算单元，用于基于所述第二拍摄图像和所述第三拍摄图像计算所述第一拍摄图像的亮部和暗部之间的边界位置，以测 量所述被摄体的位置。 
通过以下参考附图对典型实施例的详细说明，本发明的其它特征和方面将显而易见。 
附图说明
包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图，示出本发明的典型实施例、特征和方面，并与说明书一起用来解释本发明的原理。 
图1示出根据第一典型实施例的测量设备的基本结构。 
图2示出根据第一典型实施例的要投影的条纹光图案。 
图3A示出根据第一典型实施例的用于确定边界位置的原理。 
图3B示出根据第一典型实施例的用于确定边界位置的原理。 
图3C示出根据第一典型实施例的用于确定边界位置的原理。 
图4A示出根据第一典型实施例的用于确定边界位置的方法的流程。 
图4B示出根据第一典型实施例的用于确定边界位置的方法的流程。 
图5是示出根据第一典型实施例的用于确定边界位置的方法的流程图。 
图6示出根据第二典型实施例的要投影的条纹光图案。 
图7A示出根据第二典型实施例的用于确定边界位置的方法的流程。 
图7B示出根据第二典型实施例的用于确定边界位置的方法的流程。 
图8是示出根据第二典型实施例的用于确定边界位置的方法的流程图。 
图9示出根据第三典型实施例的要投影的条纹光图案。 
图10A示出根据第三典型实施例的用于确定边界位置的原理。 
图10B示出根据第三典型实施例的用于确定边界位置的原理。 
图10C示出根据第三典型实施例的用于确定边界位置的原理。 
图11A示出根据第四典型实施例的用于产生要投影的条纹光图案的方法。 
图11B示出根据第四典型实施例的用于产生要投影的条纹光图案的方法。 
图11C示出根据第四典型实施例的用于产生要投影的条纹光图案的方法。 
图12A示出根据第四典型实施例的用于确定边界位置的原理。 
图12B示出根据第四典型实施例的用于确定边界位置的原理。 
图12C示出根据第四典型实施例的用于确定边界位置的原理。 
图13示出被摄体形状测量设备的结构和测量方法的概念。 
图14A示出使用二进制码的空间编码方法要投影的条纹光图案。 
图14B示出使用二进制码的空间编码方法要投影的条纹光图案。 
图14C示出使用二进制码的空间编码方法要投影的条纹光 图案。 
图15A示出使用格雷码的空间编码方法要投影的条纹光图案。 
图15B示出使用格雷码的空间编码方法要投影的条纹光图案。 
图15C示出使用格雷码的空间编码方法要投影的条纹光图案。 
图16A示出亮部和暗部之间的边界位置。 
图16B示出亮部和暗部之间的边界位置。 
图17A示出平均图像比较方法。 
图17B示出平均图像比较方法。 
图18A示出互补图案投影方法。 
图18B示出互补图案投影方法。 
图19A示出根据第五典型实施例的用于确定边界位置的原理。 
图19B示出根据第五典型实施例的用于确定边界位置的原理。 
图20是示出根据第五典型实施例的用于确定边界位置的方法的流程图。 
图21示出根据第六典型实施例的用于确定边界位置的原理。 
图22A示出根据第六典型实施例的用于确定边界位置的原理。 
图22B示出根据第六典型实施例的用于确定边界位置的原理。 
图22C示出根据第六典型实施例的用于确定边界位置的原理。 
图23示出根据第六典型实施例的用于确定边界位置的方法的流程图。 
具体实施方式
实施例1
下面将参考附图详细说明本发明的各种典型实施例、特征和方面。 
图1示出根据本典型实施例的用于进行测量方法的测量设备的基本结构。 
本典型实施例基本包括能够将条纹光图案投影至被摄体17的投影仪12、用于拍摄被投影了条纹光图案的被摄体17的照相机13、以及用于发出指示以投影和拍摄条纹光图案并计算拍摄图像数据以进行三维测量的计算处理单元1。 
计算处理单元1包括中央处理单元(CPU)10、图案存储器11、图像存储器14、二值化处理单元15和测量处理单元16。上述组件经由总线相互连接，并且可以相互发送和接收命令和数据。 
由诸如ROM等的存储单元构成图案存储器11。图案存储器11存储用于条纹光图案的图案形状程序和用于设置投影时间段的时间计算程序。由CPU 10指示进行投影的图案存储器11向投影仪12发送条纹光图案形状信号。CPU 10用作用于使投影仪12作为投影单元的投影控制单元。 
向投影仪12和照相机13发送时间计算信号以管理投影和拍摄条纹光图案的定时。照相机13用作用于获取拍摄图像的获取单元。 
将由照相机13拍摄的图像数据(拍摄图像)临时存储在图像存储器14中，并且将其顺次发送给二值化处理单元15。二值化 处理单元15包括诸如ROM和RAM等的存储单元，并且判断条纹光图案的亮部和暗部之间的边界位置。二值化处理单元15确定边界位置，然后生成单色二值图像数据。 
二值化处理单元15存储用于确定边界位置的二值化处理程序。当进行N位的空间编码时，条纹光图案形成N种类型的图案形状，这样产生N个二值图像数据。 
将由二值化处理单元15生成的二值图像数据发送给测量处理单元16。测量处理单元16包括诸如ROM和RAM等的存储单元以及处理单元。测量处理单元16的存储单元存储诸如投影仪12和照相机13的基线长度、焦距和像素数量等的根据设备而不同的参数。该存储单元还存储诸如由先前进行的校准而引起的失真和外部光的亮度等的外部参数。该存储单元还存储三角测量所使用的三维测量程序。 
测量处理单元16使用二值数据和各种参数，基于三维测量程序进行处理。生成测量结果作为距离图像数据。通过输出单元将距离图像数据转换成图像信号，并且可以在诸如监视器等的显示单元上作为距离图像进行观察。 
基于来自CPU 10的指示进行图像存储器14、二值化处理单元15和测量处理单元16中的所有处理。可以利用具有用于存储计算机程序的存储单元和CPU的个人计算机代替计算处理单元1的功能的一部分。 
下面说明要投影的条纹光图案。在本典型实施例中，作为例子说明使用格雷码图案的空间编码，然而，即使在简单二进制码的情况下，下面的说明也与上述例子的说明相同。 
图2示出要投影的条纹光图案。条纹光图案20是由3位格雷码所空间编码的条纹光图案。在本典型实施例中，作为例子说明使用3位格雷码的空间编码，在N位空间编码的情况下，条纹 光图案20的拍摄图像的数量等于N。 
二进制编码光图案21是在宽度上相当于条纹光图案20的L SB图案(或者3位的条纹光图案20)的光图案。反转二进制编码光图案22是反转二进制编码光图案21的二进制编码光图案。将上述5个不同的条纹光图案从投影仪12投影至被摄体17。 
图3A、3B和3C示意性示出用于使用二进制编码光图案21和反转二进制编码光图案22确定边界位置的原理。图3A示出1位的条纹光图案20、二进制编码光图案21和反转二进制编码光图案22。 
二进制编码光图案21和反转二进制编码光图案22的水平坐标的位置“a”处的亮部和暗部之间的边界位置对应于1位的条纹光图案20的亮部和暗部之间的边界位置。因此，可以根据1位的条纹图案20与二进制编码光图案21和反转二进制编码光图案22之间的关系，通过在亮部和暗部之间所确定的边界位置来获得边界位置。 
图3B示出2位的条纹光图案20、二进制编码光图案21和反转二进制编码光图案22。注意与上述类似的与边界位置的对应关系，二进制编码光图案21和反转二进制编码光图案22的位置“b”和“c”处的亮部和暗部之间的边界位置与2位的条纹光图案20的亮部和暗部之间的边界位置是共同的。 
图3C示出3位的条纹光图案20、二进制编码光图案21和反转二进制编码光图案22。注意与上述类似的与边界位置的对应关系，二进制编码光图案21和反转二进制编码光图案22的位置“d”、“e”、“f”和“g”处的亮部和暗部之间的边界位置与3位的条纹光图案20的亮部和暗部之间的边界位置是共同的。 
更具体地，可以基于第二光图案(二进制编码光图案21)的第二拍摄图像和第三光图案(反转二进制编码光图案22)的第三 拍摄图像，计算第一光图案(光图案20)的第一拍摄图像的边界位置。 
因此，在3位空间编码中，将条纹光图案20的边界位置包括在二进制编码光图案21和反转二进制编码光图案22中，以使得能够根据这两个图像数据确定边界位置。理论上，同样在N位空间编码中，使用宽度等于或短于最小宽度的二进制编码光图案及其反转二进制编码光图案，以使得能够确定边界位置。 
在本典型实施例中，可以使用添加了宽度等于或短于最小宽度的二进制编码光图案及其反转二进制编码光图案的两个拍摄图像的(N+2)个拍摄图像，确定N位空间编码中的边界位置。 
图4A和4B示意性用于确定边界位置的方法的流程。在图4A中，针对利用条纹光图案20中的任一个所拍摄的图像数据设置边界位置附近的范围(以下称为边界范围)。 
为了设置边界范围，预先设置最大亮度值41和最小亮度值42。最大亮度值41和最小亮度值42分别是亮度的上限值和亮度的下限值。确定最大亮度值41和最小亮度值42与使用条纹光图案20所拍摄的图像数据的亮度线40相交的位置。 
在图4A中，将最大亮度值41和亮度线40的直线的交点确定为位置m。将最小亮度值42和亮度线40的直线的交点确定为位置n。将通过上述处理所确定的m和n之间的距离设置为边界范围。边界范围m-n是拍摄图像从高亮度向低亮度变化的范围。边界位置存在于边界范围m-n中。 
将说明用于根据使用二进制编码光图案21和反转二进制编码光图案22所拍摄的图像数据来确定边界范围m-n中的边界位置的方法。 
当使用利用二进制编码光图案21和反转二进制编码光图案22所拍摄的两个图像时，可以确定两个边界位置(交点位置)。 为此，需要判断将这两个交点位置中的哪一个边界位置作为边界位置。 
在图4B中，为了易于理解和简化，放大水平坐标的边界范围m-n。在边界范围m-n中确定使用二进制编码光图案21所拍摄的图像数据的亮度线43和使用反转二进制编码光图案22所拍摄的图像数据的亮度线44相互相交处的位置。如果存在一个交点，则可以将该交点确定为边界位置。 
如果存在两个以上的交点，则图4B示出将它们中的哪一个作为边界位置。在图4B中，作为候选边界位置的交点位置是位置h和i。使用边界范围m-n的中间位置p来确定边界位置。获得从中间位置p到位置h的距离和从中间位置p到位置i的距离，以确定哪一位置接近中间位置p。 
在图4B中，由于位置i比位置h更接近中间位置p，所以将位置i确定为边界位置。下面将参考图5所示的流程图详细说明上述流程。由计算处理单元1、投影仪12和照相机13执行下述流程图。 
在步骤S500，将N位空间编码条纹光图案20以及等于或小于LSB光图案的最小宽度的二进制编码光图案21和反转二进制编码光图案22从投影仪12投影至被摄体17。通过照相机13拍摄被投影了反转二进制编码光图案22的被摄体17。 
只要二进制编码光图案21和反转二进制编码光图案22的暗部和亮部之间的距离小于条纹光图案20的暗部和亮部之间的距离即可，该距离不一定是最小宽度。 
在步骤S501，根据条纹光图案20的拍摄图像数据中的每一个计算亮度值。使用针对这些亮度值预先设置的最大亮度值41和最小亮度值42作为阈值。计算使用条纹光图案20所拍摄的图像数据的亮度线40与最大亮度值41和最小亮度值42的交点。 
在步骤S502，判断最大亮度值41和最小亮度值42的所计算出的交点之间的距离是否短于预定像素。通常，即使亮部和暗部之间的边界由于焦距或被摄体17的反射率所导致的模糊而扩大，该扩大也在数个像素内。如果交点之间的距离超过数个像素，则认为此为测量错误。 
如果交点之间的距离短于数个像素(步骤S502为“是”)，则处理进入步骤S503。如果交点之间的距离不短于数个像素(步骤S502为“否”)，则处理进入错误。在步骤S503，将最大亮度值41和最小亮度值42的交点之间的距离指定为亮部和暗部的边界范围。 
在步骤S504，计算在该边界范围中使用二进制编码光图案21所拍摄的图像数据的亮度线43和使用反转二进制编码光图案22所拍摄的图像数据的亮度线44相互相交处的位置。 
在步骤S505，如果存在一个交点(步骤S505为“否”)，则处理进入步骤S508。将这唯一一个交点位置确定为亮部和暗部的边界位置。 
如果存在两个以上的交点(步骤S505为“是”)，则处理进入步骤S506。在步骤S506，计算边界范围的中间位置。在步骤S507，计算从中间位置到多个交点位置各自的距离，并且获取所有交点位置中最接近中间位置的交点位置。在步骤S508，将最接近中间位置的交点位置确定为亮部和暗部的边界位置。 
因此，可以确定N位空间编码条纹光图案20的亮部和暗部的边界位置。类似于互补图案投影方法，第一典型实施例使用条纹的亮部和暗部相互反转的两个图像确定边界位置，从而使得能够如互补图案投影方法一样精确地确定边界位置。以N位拍摄的图案的数量变成N+2，这与平均图像比较方法的数量一样小。 
根据本典型实施例，可以基于被投影了光图案的被摄体的拍摄图像精确且快速地测量被摄体的位置。 
实施例2
第二典型实施例与第一典型实施例的不同在于要投影的条纹光图案和用于确定边界位置的流程。图6示出要投影的条纹光图案。 
由3位格雷码所空间编码的条纹光图案20、二进制编码光图案21和反转二进制编码光图案22与图2中的相同。添加了仅具有亮部的全明图案23和仅具有暗部的全黑图案24。 
图7A和7B示意性示出用于确定边界位置的方法的流程。在图7A中，在使用条纹光图案20中的任一个所拍摄的图像数据中设置边界范围。为此，使用平均图像比较方法。 
亮度线70是利用全明图案23所拍摄的图像数据的亮度线。亮度线72是使用全黑图案24所拍摄的图像数据的亮度线。计算亮度线70和亮度线72的平均值，并且将其设置为亮度线71。确定条纹光图案20的亮度线40和该平均值的亮度线71的交点位置。 
在图7A中，以位置a表示交点位置。将从位置a的预定扩展作为边界范围。在图7A中，将m和n之间的距离作为边界范围。由于通过平均图像比较方法确定边界位置，所以预定扩展可以如一个或两个像素那么小。 
在图7B中，在距离m-n中确定使用二进制编码光图案21所拍摄的图像数据的亮度线43和使用反转二进制编码光图案22所拍摄的图像数据的亮度线44相互相交处的位置。边界范围如此小，以至于大体上仅存在一个交点。将上述交点确定为边界位置。 
将参考图8所示的流程图详细说明上述流程。类似于第一典 型实施例，由计算处理单元1、投影仪12和照相机13处理下述流程图的处理。 
在步骤S800，将N位空间编码条纹光图案20以及等于或小于LSB光图案的最小宽度的二进制编码光图案21和反转二进制编码光图案22从投影仪12投影至被摄体17。在本典型实施例中，还投影全明图案23和全黑图案24。通过照相机13拍摄被投影了反转二进制编码光图案22的被摄体17。 
在步骤S801，根据使用全明图案23和全黑图案24所拍摄的图像数据，通过平均图像比较方法确定边界位置。在步骤S802，对于所计算出的边界位置设置预定扩展。在步骤S803，指定边界范围。随后的步骤与图5中的相同，因而省略对其的说明。 
尽管第二典型实施例中的拍摄图像的数量比第一典型实施例中的数量多两个，但是可以比第一典型实施例更精确地指定边界范围。为此，在边界范围中仅确定利用二进制编码光图案21和反转二进制编码光图案22所拍摄的两个图像数据的一个交点，以简化用于确定边界位置的流程，从而缩短了用于确定的计算时间段。这也消除了交点位置的错误确定，因而提高了精度。 
实施例3
在第三典型实施例中，要投影的条纹光图案是简单二进制编码图案。图9示出要投影的条纹光图案。条纹光图案90是以3位空间编码的条纹光图案。反转二进制编码光图案91是反转条纹光图案90的LSB图案的条纹光图案。 
图10A、10B和10C示意性示出第三典型实施例中用于确定边界位置的原理。图10A示出1位的条纹光图案90、条纹光图案90的LSB图案以及反转二进制编码光图案91。 
参考图10A，可以看出，条纹光图案90的LSB图案和反转二 进制编码光图案91的水平坐标的位置“a”处的亮部和暗部之间的边界位置对应于1位的条纹光图案90中的亮部和暗部之间的边界位置。这从1位的条纹光图案90的亮部和暗部之间要确定的边界位置以及条纹光图案90的LSB图案与反转二进制编码光图案91的对应关系显而易见。 
图10B示出2位的条纹光图案90、条纹光图案90的L SB图案和反转二进制编码光图案91。注意与上述类似的与边界位置的对应关系，条纹光图案90的LSB图案和反转二进制编码光图案91的水平坐标的位置“a”、“b”和“c”处的亮部和暗部之间的边界位置对应于2位的条纹光图案90的亮部和暗部之间的边界位置。 
图10C示出3位的条纹光图案90、条纹光图案90的LSB图案和反转二进制编码光图案91。类似地，条纹光图案90的LSB图案和反转二进制编码光图案91的水平坐标的位置“a”、“b”、“c”、“d”、“e”、“f”和“g”处的亮部和暗部之间的边界位置对应于3位的条纹光图案90的亮部和暗部之间的边界位置。 
因此，在二进制编码图案的空间编码中，可以使用L SB图案及其反转光图案确定边界位置。 
可以使用第一典型实施例的图5所示的流程图的处理以及第二典型实施例的图8所示的流程图的处理来确定边界位置。在第三典型实施例中，通过使用数量比第一典型实施例少一个的图案来确定边界位置，从而缩短了图像拍摄时间段。 
实施例4
在第四典型实施例中，要投影的图案是格雷码。图11A、11B和11C示出用于产生确定边界位置的图案的方法。下面使用3位空间编码作为例子说明本典型实施例。 
图11A、11B和11C分别示出1位的、2位的和3位的条纹光图案。在该附图的下部分，将亮部和暗部分别编码为1和0。反转 10或01的地方以产生1和0的编码图案。编码111是反转图案。亮部和暗部的宽度等于LSB图案的最小宽度的1/2宽度。编码111被转换成图像以产生编码光图案110。 
理论上，1位的、2位的和3位的所有边界位置在格雷码中都不同，因而可以利用具有最小宽度1/2宽度的编码光图案110确定边界位置。 
图12A、12B和12C示意性示出第四典型实施例中用于确定边界位置的原理。图12A示出1位的条纹光图案和编码光图案110。注意在1位的条纹光图案的亮部和暗部之间要确定的边界位置与编码光图案110的对应关系，可以看出，编码光图案110的水平坐标的位置“a”处的亮部和暗部之间的边界位置对应于1位的条纹光图案的亮部和暗部之间的边界位置。 
图12B示出2位的条纹光图案和编码光图案110。类似地，注意该对应关系，编码光图案110的水平坐标的位置“b”和“c”处的亮部和暗部之间的边界位置对应于2位的条纹光图案的亮部和暗部之间的边界位置。 
图12C示出3位的条纹光图案和编码光图案110。类似地，注意该对应关系，编码光图案110的水平坐标的位置“d”、“e”、“f”和“g”处的亮部和暗部之间的边界位置对应于3位的条纹光图案的亮部和暗部之间的边界位置。 
因此，在格雷码的空间编码中，可以使用编码光图案110作为反转光图案来确定边界位置。可以使用第一典型实施例的图5所示的流程图的处理以及使用第二典型实施例的图8所示的流程图的处理，来确定边界位置。 
在第四典型实施例中，可以使用数量比第一典型实施例中的数量少1个的图案来确定边界位置，从而缩短了图像拍摄时间段。 
当指定边界范围时，第三和第四典型实施例可以使用在第二典型实施例中所使用的平均图像比较方法。 
实施例5
第五典型实施例与第一典型实施例的不同在于确定边界位置中所使用的拍摄图像。下面将说明本典型实施例中用于确定边界位置的方法。 
图19A和19B示意性示出用于确定边界位置的方法的流程。在图19A中，针对利用条纹光图案20中的任一个所拍摄的图像数据设置边界位置附近的范围(以下称为边界范围)。预先设置最大亮度值191和最小亮度值20以设置边界范围。 
最大亮度值191和最小亮度值192分别是亮度的上限值和亮度的下限值。确定最大亮度值191和最小亮度值192与使用条纹光图案所拍摄的图像数据的亮度线190的交点位置。 
在图19A中，将最大亮度值191和亮度线190的直线的交点确定为位置m。将最小亮度值192和亮度线190的直线的交点确定为位置n。将通过上述处理所确定的m和n之间的距离作为边界范围。边界范围m-n是拍摄图像从高亮度向低亮度变化的范围。边界位置存在于边界范围m-n中。 
下面说明用于根据使用条纹光图案20和二进制编码光图案21所拍摄的图像数据在边界范围m-n中确定边界位置的方法。 
在图19B中，为了易于理解和简化，放大水平坐标的边界范围m-n。在边界范围m-n中确定使用二进制编码光图案21所拍摄的图像数据的亮度线193和使用条纹光图案20所拍摄的图像数据的亮度线190相互相交处的位置。 
在图19B中，交点位置为位置i。将位置i确定为条纹光图案20的亮部和暗部之间的边界位置。用于使用条纹光图案20和反转二进制编码光图案22确定边界位置的流程与第一典型实施例 的相同，因而省略对其的说明。 
将参考图20所示的流程图详细说明下述流程。由计算处理单元1、投影仪12和照相机13执行下述流程图。 
在步骤S2000，将N位空间编码条纹光图案20以及等于或小于LSB的最小宽度的二进制编码光图案21和反转二进制编码光图案22从投影仪12投影至被摄体17。通过照相机13拍摄被投影了光图案的被摄体17。 
只要二进制编码光图案21和反转二进制编码光图案22的暗部和亮部之间的距离小于条纹光图案20的暗部和亮部之间的距离即可，该距离不一定是最小宽度。 
在步骤S2001，根据条纹光图案20的拍摄图像数据中的每一个计算亮度值。使用针对这些亮度值预先设置的最大亮度值191和最小亮度值192作为阈值。计算使用条纹光图案20所拍摄的图像数据的亮度线190与最大亮度值191和最小亮度值192的交点。 
在步骤S2002，判断最大亮度值191和最小亮度值192的计算出的交点之间的距离是否短于预定像素。通常，即使亮部和暗部之间的边界由于焦距或被摄体17的反射率所引起的模糊而扩大，该扩大也在数个像素内。如果交点之间的距离超过数个像素，则认为此为测量错误。 
如果交点之间的距离短于数个像素(步骤S2002为“是”)，则处理进入步骤S2003。如果交点之间的距离不短于数个像素(步骤S2002为“否”)，则处理进入“错误”。在步骤S2003，将最大亮度值191和最小亮度值192的交点之间的距离指定为亮部和暗部的边界范围。 
在步骤S2004，计算在边界范围中使用二进制编码光图案21所拍摄的图像数据的亮度线193和使用条纹光图案所拍摄的 图像数据的亮度线190相互相交处的位置。类似地，对于使用反转二进制编码光图案22和条纹光图案20所拍摄的图像数据计算交点。 
在步骤S2005，将计算出的交点位置确定为亮部和暗部的边界位置。对于所有像素执行上述流程图，以使得能够确定N位空间编码条纹光图案20的亮部和暗部的边界位置。 
第一典型实施例能够使用在周期上不同于条纹光图案20的条纹光图案来确定条纹光图案20的边界位置。周期不同的条纹光图案使用条纹的亮部和暗部相互反转的两个图像，以使得能够与互补图案投影方法一样精确地确定边界位置。 
以N位拍摄的图案的数量变成N+2，这与平均图像比较方法的数量一样小。根据本典型实施例，可以基于被投影了光图案的被摄体的拍摄图像，精确且快速地测量被摄体的位置。 
实施例6
在第五典型实施例中，要投影的图案是格雷码。下面说明用于使用以下面的方式重新生成的移位条纹图案来确定边界位置的方法，其中，在该方式下，将多个格雷码中的预定图案侧向移位预定周期。 
图21示出要投影的条纹光图案。准备由3位格雷码所空间编码的条纹光图案210和3位格雷码图案的亮部和暗部相互反转的3位反转光图案215。另外，准备3位格雷码图案向右移位1/4周期的移位条纹光图案216和移位条纹光图案216的亮部和暗部相互反转的反转移位条纹光图案217。 
图22A、22B和22C示意性示出用于使用3位反转光图案215、移位条纹光图案216和反转移位条纹光图案217确定边界位置的原理。 
图22A示出1位的条纹光图案210、3位反转条纹光图案215、 移位条纹光图案216和反转移位条纹光图案217。移位条纹光图案216和反转移位条纹光图案217的水平坐标的位置“a”处的亮部和暗部之间的边界位置对应于1位的条纹光图案210的亮部和暗部之间的边界位置。 
因此，在1位的条纹光图案210的亮部和暗部之间要确定的边界位置具有下面的关系：移位条纹光图案216和反转移位条纹光图案217的亮部和暗部相互反转，这使得能够通过互补图案投影方法确定边界位置。 
图22B示出2位的条纹光图案210、移位条纹光图案216和反转移位条纹光图案217。注意与边界位置的对应关系，移位条纹光图案216和反转移位条纹光图案217的位置“b”和“c”处的亮部和暗部之间的边界位置对应于2位的条纹光图案210的亮部和暗部之间的边界位置。 
图22C示出3位的条纹光图案210和3位反转条纹光图案215。在本例子中，类似于典型互补图案投影方法，位置“d”、“e”、“f”和“g”处的亮部和暗部之间的边界位置对应于3位的条纹光图案210的亮部和暗部之间的边界位置。 
更具体地，对于第六光图案(移位条纹光图案216)的第六拍摄图像和第七光图案(反转移位条纹光图案217)的第七拍摄图像，可以利用互补图案投影方法确定第一光图案(光图案210)的第一拍摄图像的边界位置。 
类似于第三典型实施例，第五典型实施例利用平均图像比较方法更详细地设置边界位置范围的范围。在第三典型实施例中，平均图像比较方法使用投影仅具有亮部的全明图案213和仅具有暗部的全黑图案214的拍摄图像。在本典型实施例中，平均图像比较方法使用投影移位条纹光图案216和反转移位条纹光图案217的拍摄图像。 
将参考图23所示的流程图详细说明上述流程。由计算处理单元1、投影仪12和照相机13执行该流程图的处理。 
在步骤S230，投影N位空间编码的条纹光图案210、反转作为最小位的N位条纹光图案的亮部和暗部的N位反转条纹光图案、N位条纹光图案移位预定周期的移位条纹光图案、以及反转移位条纹光图案的亮部和暗部的反转移位条纹光图案。 
通过照相机13拍摄被投影了光图案的被摄体17。在步骤S231，根据使用移位条纹光图案和反转移位条纹光图案所拍摄的图像数据，利用平均图像比较方法确定边界位置。在步骤S232，对于计算出的边界位置设置预定扩展。在步骤S233，指定边界范围。 
在步骤S234，在边界范围中确定移位条纹光图案和反转移位条纹光图案的交点。在步骤S235，将计算出的交点确定为边界位置。到步骤S235为止，可以确定(N-1)位的条纹光图案的边界位置。 
在步骤S236，根据N位条纹光图案和N位反转条纹光图案来确定交点，以确定N位条纹光图案的边界位置。因此，可以确定N位空间编码的条纹光图案210的亮部和暗部之间的边界位置。 
还可以利用读出并执行记录在存储器装置上的程序以进行上述实施例的功能的系统或设备的计算机(或者CPU或MPU等装置)和通过下面的方法实现本发明的各方面，其中，利用系统或设备的计算机通过例如读出并执行记录在存储器装置上的程序以进行上述实施例的功能来进行上述方法的各步骤。为此，例如，通过网络或者通过用作存储器装置的各种类型的记录介质(例如，计算机可读介质)将该程序提供给计算机。在这种情况下，该系统或设备以及存储该程序的记录介质包括在本发明 的范围内。 
尽管参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不局限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这些修改、等同结构和功能。 
本申请要求2009年7月29日提交的日本专利申请2009-176525的优先权，其全部内容通过引用包含于此。 

Claims (10)

1.一种测量设备，包括：
投影控制单元，用于使投影单元将第一光图案、第二光图案和第三光图案投影至被摄体，其中，所述第一光图案具有亮部和暗部，所述第二光图案的亮部和暗部的各宽度小于所述第一光图案的亮部和暗部的各宽度，所述第二光图案具有与所述第一光图案共同的、亮部和暗部之间的边界位置，以及通过将所述第二光图案的亮部和暗部相互反转而得到所述第三光图案；
获取单元，用于获取被投影了所述第一光图案的所述被摄体的第一拍摄图像、被投影了所述第二光图案的所述被摄体的第二拍摄图像、以及被投影了所述第三光图案的所述被摄体的第三拍摄图像；以及
计算单元，用于基于所述第二拍摄图像和所述第三拍摄图像计算所述第一拍摄图像的亮部和暗部之间的边界位置，以测量所述被摄体的位置。
2.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述第二拍摄图像的亮部和暗部的各宽度是所述投影单元能够投影光图案的最小宽度。
3.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述第一光图案具有多个亮部和暗部，并且所述多个亮部和暗部中的亮部和暗部的各宽度彼此相同。
4.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述第一光图案包括格雷码图案。
5.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述第一光图案包括二进制编码图案。
6.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述投影控制单元使所述投影单元将亮部和暗部的各宽度不同的多个第一光图案投影至所述被摄体，所述获取单元获取被投影了所述多个第一光图案的所述被摄体的多个第一拍摄图像，并且所述计算单元基于所述第二拍摄图像和所述第三拍摄图像计算所述多个第一拍摄图像的亮部和暗部之间的边界位置，以测量所述被摄体的位置。
7.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述计算单元设置所述第一拍摄图像和所述第二拍摄图像的上限亮度值和下限亮度值，并且在所述上限亮度值和所述下限亮度值之间的亮度范围中计算所述边界位置。
8.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述计算单元计算所述第三拍摄图像的亮部的中间位置，并且基于所述中间位置计算所述边界位置。
9.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述计算单元计算表示所述第二拍摄图像的亮度值的变化的直线与表示所述第三拍摄图像的亮度值的变化的直线的交点，作为所述边界位置。
10.一种测量方法，包括以下步骤：
投影控制单元使投影单元将第一光图案、第二光图案和第三光图案投影至被摄体，其中，所述第一光图案具有亮部和暗部，所述第二光图案的亮部和暗部的各宽度小于所述第一光图案的亮部和暗部的各宽度，所述第二光图案具有与所述第一光图案共同的、亮部和暗部之间的边界位置，以及通过将所述第二光图案的亮部和暗部相互反转而得到所述第三光图案；
获取单元获取被投影了所述第一光图案的所述被摄体的第一拍摄图像、被投影了所述第二光图案的所述被摄体的第二拍摄图像、以及被投影了所述第三光图案的所述被摄体的第三拍摄图像；以及
计算单元基于所述第二拍摄图像和所述第三拍摄图像计算所述第一拍摄图像的亮部和暗部之间的边界位置，以测量所述被摄体的位置。
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