CN102549374A - 具有自行校准的便携式成像测量的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

此发明开发一种以成像为基础的便携式测量器具，以对难以接近或接近时有危险的对象执行以二维投影为主的测量。此器具配备有自行校准能力及内建式操作程序以确保适当的基于成像的测量。

Description

具有自行校准的便携式成像测量的方法及装置
关于联邦政府投资研究的声明
本发明是在美国政府支持的由美国能源部(DOE)科学办公室(SBIR)资助的DE-SC-0003254项目“Recovery Act-Imaging-based Optical Caliper forObjects in Hot Manufacturing Processes”下做出的。美国政府对本发明拥有某些权利。
相关申请的交叉引用
本申请案主张2009年9月30日提交的美国临时申请第61/247,010号的权利，该案的全部揭示内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明大体而言有关以成像为基础的尺寸测量。具体言之，有关以成像为基础的，且具有内建式自行校准、用于对象的关键尺寸的测量的便携式器具。
背景技术
以成像为基础的测量被广泛使用。人们可找到基于三角测量、干涉测量或二维投影的成像测量系统。然而，这些器具需要良好的对准与关键的校准程序，且通常对照明条件敏感。这些要求限制了以便携形式使用成像测量仪器。
然而，对于特定应用，价格合理且方便携带的非接触式尺寸测量器具是受期待的。举例而言，在钢厂轧机中，轧辊闭口(两个轧辊之间的间隙)为与成品的质量相关的关键参数。尽管固定位置的尺寸测量仪器常用于轧钢厂，但这些仪器过于昂贵，以至于不能在每一架轧机之后安装。因此，这些仪器通常在最后一架轧机之后的轧钢成品处安装。然而，有需要周期性地在每一架轧机之后验证尺寸，例如，在轧机更新设定之后或在预定周期(比如，每30分钟)的时间点上。进行此测量所涉及的困难在于待测对象不仅极热(通常在700℃至1,250℃的范围内)且也在运动状态。实际上不可能让待测对象停止运动，因为持续不动的接触可造成轧辊损坏。目前，对移动中的热对象进行测量有两个方法。第一方法为用手持型测径规，在例如粗轧机之后的位置，对速度相对较低的对象进行测量。在此作业中，操作者必须使测径规接触移动中的热对象以获得测量值。可以想见，此方法稍具危险性，且可能不准确。另一方法涉及使用一片特别处理后的木片，来在例如中轧机之后的位置，对移动速度相对较快的对象进行测量。固持木片抵靠在移动中的热对象上，从而让热对象将该木片的一部分烧毁成对象的形状。工人接着测量木片烧毁部分以获得对象的尺寸。便携式非接触尺寸测量器具在此应用中将具有使用价值。
此外，已知存在有手持型光学仪器(诸如，测距仪)用于测量至物件的距离；然而，此仪器在想要取得对象尺寸时不起作用。另外，在本技术领域中已知存在有LIDAR(光检测及测距)系统，该系统能够使用激光光束扫描地形资料，但此系统昂贵且不具便携性。
提供以二维(2D)投影为基础的便携式测量器具的挑战之一在于影像中受测对象的投影大小受设置及/或配置(也称为成像传感器(通常为相机)与待测对象间的空间关系)的影响极大。因此，此测量器具的便携性造成无法预先知道对象与测量器具间的空间关系。
提供便携式测量器具的另一挑战在于：在需要进行测量时的时间及位置上，其照明条件及设置有未知性。特别是，本领域普通技术人员均知，影像的质量对自该影像提取的信息具有极大的影响，以此处目的而言，对测量结果有极大的影响。举例而言，不期望让待测量的对象的任何部分过于明亮，而导致使成像系统饱和(即该影像亮度超过极限)。此饱和效应将使用于界定对象边界以导出尺寸的边界检测算法失效。此外，这种饱和可导致溢出效应，即过量的光子满溢到邻近的影像像素(即，以常用的成像技术而言)。这可造成影像中对象膨胀，从而导致错误测量。也不期望使对象过暗，因为成像传感器会因所谓的暗电流效应而有非线性反应。暗电流效应是由长波长光子穿透成像传感器基板而产生的。当亮度低时(例如，小于全标度的15％)，暗电流效应可使影像，特别是对象边界部分，失真。相较于便携式器具，固定安装的典型成像系统可享有固定且控制良好的照明环境，确保适当曝光及工作范围。然而，如前所述，这样的结果对于便携式器具几乎是不可能的，因为无法预先知道照明条件及设置。即使配备有自动电子快门、光圈及闪光灯的现代数码相机也不能够完全解决一些极端状况，例如，对1,000℃的钢棒成像。
因此，有这个需要与价值去设计能够便携式地使用，且能够以二维投影为基础来测量对象尺寸的测量器具，以消除或最小化一个或数个前述的问题或缺点。
发明内容
本发明提供一种用于判定对象的尺寸的测量装置。该装置包括成像系统、参数识别器及计算单元。该成像系统被配置为获取对象的影像。在一个实施例中，该影像可为在成像传感器上摄取的3D对象的二维(2D)投影。该参数识别器被配置为判定至少一个校正参数，最好是在摄取影像或与摄取影像近乎实时的时间点作用(即，在测量时自行校正)。在实施例中，至少一个校正参数可以包括自该成像系统至该对象的工作距离。该参数识别器不需要在影像摄取之前具有相对于该对象的空间关系信息，使得该装置的实施例适合于便携式使用。该计算单元被配置为基于至少一个校正参数从该影像判定该对象的尺寸。
在实施例中，该计算单元被进一步配置为判定尺寸模型。该尺寸模型反映测量时间校正，使该装置能够用于尺寸测量。该装置经校正，使得实体对象的实际尺寸可以映像到以像素为表达的影像网格上。利用此模型，该计算单元分析该影像以判定(或“计数”)，举例而言，该影像中该对象的边界线之间的像素数目。该影像中的该对象的边界线(边缘)可经由称为边缘检测算法的影像处理技术(例如，通过计算单元)来识别。该计算单元使用(在像素空间中)的所判定的对象尺寸，结合至少该尺寸模型，以导出实体空间中该对象的实际尺寸。
在一个实施例中，该模型包括：(1)相对准确的工作距离估计值，即在测量时间(成像时刻)判定的系统校正参数，对应于自该成像系统(即，镜头)至被成像对象之间的距离，及(2)镜头焦距，通常可预知，且对应于自该镜头光学中心至该成像系统的成像传感器的距离。
在替代实施例中，该装置包括产生显示读数的能力，该显示出的读数可用以指导使用者对特定设定(例如，对焦、曝光等)进行调整，以确保可接受质量的影像(例如，在灰阶影像中，无饱和现象)。
在另外的实施例中，该装置可进一步包括产生显示读数的能力，该显示出的读数允许使用者识别且选择待测对象的形状及/或形态(诸如，直杆、矩形箱、圆等等)。因此，获取额外的空间关系，如“平行边界线”、“垂直边界线”等。之后该信息可由该装置应用，以克服手持型器件难以对准的困难。
鉴于对不可预测的空间关系以及不可预测的照明设置及条件等问题具有内建解决方案，本发明装置的实施例适合于便携式使用，且可用以获得难以接近的对象的尺寸测量(诸如，在高温下的或在狭窄空间中的对象)。
本发明的前述及其它论点、特征、细节、效用及优点，经由阅读以下描述及权利要求，且审阅附图，可成为显而易见。
附图说明
现在将参照附图通过实例的方式来描述本发明：
图1为一实施例中的用于判定对象尺寸的装置(测量装置)的示意性方块图。
图2为展示判定实体空间中的对象尺寸的方法的流程图。
图3为另一实施例中的测量装置的图示方块图。
图4A至图4B为三维对象影像的图示，以与在该对象投影所在平面上的二维(2D)坐标系统相关的方式，展示该对象的边界线(边缘)。
图5为三维对象影像的图示，以与在该对象投影所在平面上的二维(2D)坐标系统相关的方式，展示该对象经修正对准后的边界线(边缘)。
图6A至图6B分别为又一实施例中的测量装置的等角前视图及等角后视图。
图7为测量装置及对象展示第一几何误差源的示意图。
图8为测量装置及对象展示第二几何误差源的示意图。
图9为展示可整合在又一测量装置实施例中的用于调整对象尺寸以补正几何误差的方法的流程图。
图10为分布式网络的图示方块图，该分布式网络包括又一实施例，其中测量装置与数据中心计算机进行通信。
图11为各种对象的简化横截面几何形状(形状)视图。
图12为展示可整合在又一测量装置实施例中的用于指导使用者对特定设定进行调整的方法的流程图。
具体实施方式
现参看图式，其中在各图中相似参考数字用以标示相同组件，图1为用于判定对象的尺寸的装置8(在下文中有时称为“测量装置”)的图示方块图。如图所示，装置8包括：计算单元10，其被配置为使用至少一个尺寸模型11输出测量数据12(例如，实体空间中的对象尺寸)；电源14；成像系统26(至少包括成像组件20及镜头24)，其被配置为获取目标对象60的影像；及实境参数识别器30，其被配置为判定至少一个系统校正参数31。
计算单元10可包括本领域中已习知的处理装置，该处理装置能够执行储存于相关联存储器中预先设计好的程序指令，所有指令根据由本文件中所描述的功能而执行。计划上，本文中所描述的方法，在至少一个实施例中，经程序编辑成软体，储存于相关联的存储器中，且在如此的实施中，也可构成执行此等方法的模块。鉴于前文描述，本领域普通技术人员将了解，以软体实施本发明将仅仅需要程序设计技术的常规应用。此计算单元可进一步为具有ROM、RAM、非易失及易失性(可修改)存储器的组合的类型，以储存(体现)软体程序，且还允许储存及处理动态地产生的数据及/或信号。本领域普通技术人员将了解，尤其考虑到下文所描述的影像处理功能，计算单元10可额外包括或替代性地包括各种种类的支持硬体或与各种种类的支持硬体一起作用。
尺寸模型11被配置为允许计算单元10将对象(在像素空间中的)尺寸转换成该对象(在实体空间中的)尺寸。模型11的实施与体现可以是储存于与计算单元10相关联的存储器中的资料结构。将在下文中阐述模型11的实施例细节。
测量数据12包含关于对象60的尺寸信息，包括(但不限于)在实体空间中的对象60的尺寸(例如，对于横截面为圆/圆形的沿纵向延伸的杆，尺寸可为该杆的直径)。然而，应可理解，有关尺寸测量这件事的其它信息可以由装置8储存及输出(例如，见图10及相关描述)。
电源14被配置为提供操作电力给装置8的其它部分。在实施例中，电源14可包含适合于使装置8可便携使用的传统电池(例如，可替换及/或充电电池)。
成像系统26被配置为获取对象60(即，尺寸待判定的对象)的影像。为了获取三维(3D)对象60的二维(2D)投影，所获得的影像在二维阵列(X，Y)中组织起来。成像系统26可包括数个次组件，包括成像组件20及镜头24。镜头24可具有预定的焦距(Df)，该焦距(Df)经选择以提供相关所需要的视场。应理解，为了清晰起见，成像系统26的一些构成组件被省略了。成像系统26可包含一般习知的组件。
实境参数识别器30被配置为在尺寸待测对象60的影像摄取期间，或至少时间上接近于尺寸待测对象60的影像摄取，而获取系统校正参数(图中以方块形式表示为校正参数31)。
对于对象的尺寸的测量，成像系统20经由视线40的原理捕捉目标对象60的影像。尽管单一装置8主要用于判定对象60的尺寸，但若多个装置经同步化，并从对象的不同投影角度进行测量，则所得的多个测量数据可用以判定对象的特征，用以判定诸如对象的几何偏心度或椭圆度等几何测量数据。
然而，应理解，计算单元10不能仅由对象60的影像来判定该对象的大小或尺寸。特定的额外参数是必要的。如在上文发明内容中所简要描述的，装置8必须在影像摄取的同时或在充分接近于影像摄取时间内，进行校正，以考虑且防止诸如该装置移动、照明改变等不利影响。计算单元10之后可接着自该对象影像判定像素空间中的对象尺寸，再将该像素空间中的对象尺寸转换成实体空间中的对象尺寸。为了达成此最终目的，必须在与拍摄影像同时(或几乎等于拍摄影像时)判定(“校正”)影像像素大小。为了做好该校正工作，参数识别器30通过参数检测模块50来检测诸如成像镜头24与对象60间的工作距离(在图3中最佳示出)等必要参数。参数检测模块50可包含本领域中已知的习知组件(例如，结构性照明(像激光光点等)、超声波或其它已知技术)，且根据已知做法(诸如，光学三角测量、干涉测量及/或声波/超声波响应)运作。通常，成像系统26所获得的信息(例如，影像)及参数识别器30所获得的信息(例如，系统校正参数31)由计算单元10处理，以判定测量数据12(例如，对象的尺寸)。
实体空间中的尺寸待测对象60可以广泛的多种形式存在。举例而言，在一实施例中，对象60可包含相对高温(700℃至1,250℃)且移动中的金属(例如，钢)棒，诸如，可在轧钢厂或类似场合中见到的金属棒。如图11所示，此对象60可拥有多种径向横截面几何形状(形状)。如图11所示，这种形状可以是圆(圆形)176、方形178、矩形180、菱形182、椭圆形184或六边形186等等，在此仅列举少数。
鉴于对象60的几何形状、形状等的可能变化，在实施例中，另一系统校正参数31可为二维投影平面中的对象60的边缘的平行度及/或垂直度。在实施例中，正确地对对象进行测量需要待测对象的尺寸处于与垂直于相机(镜头)主轴线的平面相同的平面中。对于手持型便携式测量器具，此要求在实用上不可能实现(即，没有完美的对准)。举例而言，为了测量对象(诸如，圆直杆的直径)，装置8可被配置为假设或以其它方式迫使对象的边缘平行(例如，在所获取的影像中见到的三维对象的二维投影应该为矩形)。在圆形对象的状况下，这个假设可嵌入至计算单元10的软体中以供“直径测量”。
作为实例，图4A展示圆直杆的典型二维投影图。本领域技术人员应知道，因对象60或便携式装置8的移动，以及不完美的对准，杆边界34与36在原始影像中不会笔直，也不会平行。为了克服此问题，本发明采用的做法是应用对待测对象的二维投影形状的预知知识，以修正未对准的影响。即，利用“矩形”的二维投影形状知识，计算单元10中的软体将能够“迫使边界34及36平行”，如图4B中所示。具体言之，计算单元10可遵循以下步骤(此实例假设预期的形状为矩形)：
第一步骤(a)：对于边界34，可按照y＝a34x+b34产生最佳拟合直线234，其中a34及b34为线方程式的数学斜率及偏移。类似地，对于边界36，可产生最佳拟合线236y＝a36x+b36。
第二步骤(b)：检查两条最佳拟合线234及236是否平行(a34＝a36是否成立)。若两条最佳拟合线234及236平行，则不必迫使其平行。
第三步骤(c)：若线234及236不平行，则存在交叉点330，该交叉点可用数学方式来解得。此交叉点330为透视图中的两条平行线的理论消失点。
第四步骤(d)：利用此交叉点330，我们可通过平分线234与线236之间的角度210(所得两个相等角度中的每一个由β来表示)来界定对象60的中心线200。若测量平面垂直于相机主轴2，则两个边界边缘34及36应平行于此中心线200。
第五步骤(e)：下一步骤为界定固定点。因为直径测量取决于工作距离，所以边界34及36上与对对象60测量工作距离的光点220有关联的点应该是固定的。此情形在激光光点的实施例的情况下尤其可能(见下文结合图3的实施例的描述)。可产生通过光点220且垂直于中心线200的线230，该线与线234及236均相交，从而产生两个固定点334及336。
第六步骤(f)：现在有中心线200以及固定点334及336(在影像变换映像期间不改变)等条件的情况下，我们可执行影像映像，以将图4A中的原始影像转换成图4B所示的具有对准校正的影像。
本领域技术人员应知道，存在用以将具有两条非平行线的影像变换成具有两条平行线的影像的影像映像算法。为了易于计算边缘34与36之间的距离，也可能进一步将图4B中的经校正的影像变换成(例如，通过旋转)图5所示的影像，图5中中心线200平行于Y轴。装置8的使用者甚至不需要知道此工作假设。
对于特定其它形状，装置8可被配置为“假设”对对象的二维投影有若干已知特征，例如，特定边缘(相对于其它边缘)或棱形的平行度(或垂直度)。基于这些程序化假设，计算单元10被配置为，通过尺寸模型处理所有获取的数据(诸如，将椭圆形转换成圆形、将梯形转换成矩形)，以获得对象(在实体空间中的)尺寸。
在替代实施例中，计算单元10配置有使用者接口，该使用者接口将多个形状/几何形状选项显示给使用者，并提供使用者选择所要的工作假设(例如，哪一边缘将垂直于或平行于另一边缘等)的机制。举例而言，此接口可类似于允许使用者选择对象的形状(例如，圆、方等——见图11)。此使用者接口在使用装置8测量复杂几何形状对象(例如，箱子)的尺寸时，尤其适用。
在又一实施例中，计算单元10可被配置有使用者接口，该使用者接口将显示具有经检测的“边缘”的影像，且允许使用者选择该边缘并指定关系(例如，平行度、垂直度、圆度、角度等)。以图4A为例，在检测到具有边界34及36的快照后，影像图框28将显示给使用者。该使用者可接着选择边界34及36，且指定该两个边界之间的“平行度要求”，以供计算单元10进一步处理该影像。
继续参看图1，尽管参数识别器30与计算单元10在图中为分离的两个区块，但应理解，这个区块分离仅出于方便描述的目的，实际上，计算单元10及参数识别器30所执行的特定计算步骤可在同一处理单元上执行。参数识别器30的整体或部分可以是但不一定是分离组件。
图2展示判定目标对象在实体空间中的尺寸的方法的流程图。该方法始于“开始”步骤，该“开始”步骤标记测量周期的开始，通常由使用者通过按下装置8上的按键来发起。
在步骤64及68中，在测量周期开始之后，计算单元10将对成像器件20及参数识别器30提出取得所需数据的要求。如上文大体描述，成像系统20将获取影像(包括对象的二维投影)，且参数识别器30将判定一或多个系统校正参数31，例如，如上文所定义的工作距离。该方法接着继续进行。
在步骤66中，计算单元10可预处理所获得的对象影像，例如影像降噪或类似的处理。此后，计算单元10将判定像素空间中的对象尺寸。像素空间为成像器件20所获得的影像的坐标系统空间。计算单元10可使用习知的算法(诸如，边缘检测算法)以判定对象边界，且因此判定像素空间中的对象尺寸。换言之，可由计算单元10判定影像中对象60的选定边缘之间的距离，从而建立像素空间中的该尺寸。本领域普通技术人员可以明了，有各种不同影像处理做法可用以识别对象边界并判定其间的像素距离。前述内容可构成用于自影像判定像素空间中的对象尺寸的模块。在步骤70中，计算单元10将使用自参数识别器30获得的系统校正参数31来建立尺寸模型11，该尺寸模型11使计算单元10能够将对象在像素空间中的尺寸转换成对象在实体空间中的尺寸。下文将描述模型11的例示性实施例。前述内容可构成用于根据所判定的系统校正参数建立尺寸模型的模块。
在步骤72中，计算单元10应用尺寸模型11以将像素空间尺寸转换成实体空间尺寸。前述内容可构成用于根据尺寸模型将像素空间中的对象尺寸转换成实体空间中的对象尺寸的模块。
在步骤74中，计算单元10可显示所判定的对象尺寸(例如，在与装置8相关联的显示屏幕上)，可储存所判定的对象尺寸以供随后查询，及/或将所判定的对象尺寸传输至另一计算单元(例如，见图10，以及相关的网络数据中心计算机描述)。
图3为替代测量装置实施例8a的图示方块图。本领域普通技术人员应理解，以下所描述的装置8a仅为例示性质，而非在本质上具有限制——有许多不同的方式可用以实施本发明的实施例。
在所说明的实施例中，参数识别器30包括激光光点光源32。激光光点光源32，对于成像器件20而言，置放位置及方位角均固定。如图3所示，激光光点光源32相对于成像器件20偏移已知距离L。而且，激光光点光源32被配置为，在相对于平行于成像器件20法线的方向，以已知角度α投射其激光光点52。在实施例中，激光光点光源32被配置为在成像系统的视场中投射其激光光束。在所说明的实施例中，参数检测模块50为激光光点52。
当激光光点52照射在对象60的外表面时，通过镜头24在成像器件20中的成像芯片22上形成以参考数字54表示的激光光点的像。计算单元10被配置为通过影像处理，例如通过强度、图案特征、位置及其它的组合，来区分激光光点54的影像与其它影像特征(换言之，即在所取得的影像中，辨识激光光点54的像)。计算单元10接着将判定激光光点54的属性，或许属性中最重要的是激光光点54在像素空间中的位置。然而，计算单元10被配置为分析与激光光点54相关联的特定因素，以准确计算像素空间中的光点位置。这些其它因素可包括(但不限于)所观测到的光点形状及强度分布等。通过分析激光光点54影像的属性(例如，像素空间中的激光光点54的位置)，连同激光光点光源32的已知位置及方位角参数(诸如，L及α)，及镜头24的焦距Df，计算单元10可即时判定系统校正参数31，诸如，工作距离Dw。在实施例中，参数识别器30被配置为在影像获取期间判定系统校正参数31(例如，工作距离)。
举例而言，计算单元10被配置为计算激光光点54的影像与成像芯片22的主轴线2之间的距离56(以dl表示)。本领域技术人员应了解，若预先知道成像芯片22上的像素大小，则dl可为物理量(即，在芯片的实体空间中界定的)。计算单元10因此被配置为如下导出工作距离Dw：
(1)Dw＝L/(dl/Df+tanα)，
其中L、Df及α具为计算单元已知的、与激光光点光源及成像系统相关联的预定数据，且dl可由计算单元10经由影像分析获得。
一旦计算单元10判定工作距离Dw，计算单元10便可进一步导出其它测量参数(诸如，对象影像62的影像像素大小)，且因此导出实体空间中的对象60的映像尺寸。在图3中，成像芯片22上的距离56对应于对象上的实体距离58。
图4A为对象60的影像，在一个二维(2D)坐标系统中展示该对象的边界线(边缘)。在图4A中，影像28中有对象60的像，其中一对边缘34、36在图中大体上沿垂直方向延伸，但并未针对平行度校正。可通过平行度的假设来校正影像28，使边缘34及36相对于中心线彼此平行，但其中中心线保持相对于Y轴成一角度，如图4B所示。最后，仍可进一步变换影像28，使得边缘34及36(及中心线)基本上平行于Y轴，如图5所示。
参看图5，主轴2以进入纸中的方向延伸。此外，参照被指定为坐标系统38的二维坐标系统(X，Y)示出了影像28。在该图示中，对于对象60上偏离主轴线2的特征(例如，第一边缘)的给定位置，在成像芯片22上会存在映像位置。经由影像分析，计算单元10可判定成像芯片22上，相对于主轴线2的对应实体位置，且接着通过放大因子Dw/Df计算对象60上的偏离主线2的实体位置。
因此，在实施例中，尺寸模型11可包括：(i)因子，其用以将来自影像的像素(例如，在边缘之间所计数的像素)转换成成像芯片22上的实体尺寸；及(ii)由Dw/Df定义的放大因子，其用以将成像芯片22上的对象投影的实体尺寸转换成对象自身的实体尺寸或对象自身上的实体尺寸。
对于图5中所说明的实例，计算单元10被配置为判定对象60的边缘至边缘的距离76。图示中为边缘边界34、36之间的X轴距离(尺寸)。计算单元10将判定相对于主轴线2的第一边缘36的第一实体位置(在下文中为D36)及第二边缘34的第二实体位置(在下文中为D34)。接着，计算单元10可经由简单减法D36-D34计算两个边缘34、36之间的距离(即，尺寸)。
总之，此实施例中的参数识别器30包含激光光点光源32及成像器件20，且参数检测模块50为激光光点52。本领域技术人员应知道，激光光点可由其它带结构的光来替换，且可为不同形状、颜色及发光源，如激光线光源或投射的线影像等等。不同于图3中的实施方案，本领域技术人员也应知道，参数识别器30还可包含其它技术，如激光干涉仪、声波或超声波回波探测器、及/或其它模块。
图6A至图6B分别为又一测量装置实施例8b的等角前视图及等角后视图，其反映图3所示的测量装置8a。装置8b因此也包括整合于其中的计算单元110、成像器件120及激光源132。激光源132相对于成像器件120固定。成像器件120包含相机及镜头。镜头可具有手动或自动光圈及对焦控制。如图所示的装置8b包括用以促进便携性及手持操作的握柄118及背带安装挂耳(strip mounting ear)116。计算单元110还具有屏幕112及控制按钮114。可自诸如控制按钮114的硬件按钮来操作计算单元110，或优选地经由触控屏幕来操作计算单元110以尽可能减少硬件按钮的数目。装置8b可使用电池电力来操作。装置8b进一步包括设置于主体/外壳中的充电插口102，以为作为电源包含其中的可充电电池充电。装置8b还可包括标准相机脚架安装孔(1/4″-20螺牙-图中未显示)，以使装置8b可用于标准三角架上。
图7为展示测量装置及对象间的可能发生的测量误差的示意图。具体言之，存在来自待测对象的几何形状变化的可忽略误差源。如图7所示，装置100用以测量对象60的二维(2D)投影直径。在不失一般性的情况下，该实例展示对象60的径向横截面为圆/圆形，但是应理解，此仅为例示性的，而非在本质上有所限制(对象可为许多其它形状的形式-见图11及相关描述)。
在此状况下待测对象60的直径为2r，其中r为圆杆(对象60)的半径。然而，由整合在装置100中的传感器测量到的工作距离是距离44，此处表示为w。此工作距离44(“w”)不同于自装置100的镜头至对象60上的测量平面42的工作距离(“W”)。图7还显示了用于参考的视线40。除非修正或另外在运算中顾及，否则实际工作距离与表观工作距离之差(W-w)可导致对象尺寸计算的误差，如上文所描述的，该误差基于被测量为w的工作距离。
图8为展示装置100及对象60有关的第二误差源的示意图。上文第一误差源涉及装置工作距离的误差，另一误差源则起因于视角误差。实际测量到的直径46(其中带有视角误差)(此处以d表示)归因于：该视线不同于用以检视实际直径48(此处以D表示)所需要的视线。然而，本领域技术人员应了解，实际直径48(“D”)可通过三角几何由所测量到的直径d导出，在此，请留意角度144与角度142相同，出于参考的目的将其以角度θ表示。基于前述，实际直径48(“D”)可按照所测量的直径d的函数来判定，即
(2)D＝f(d)＝d/sinθ。
图9显示用于调整系统校正参数(即，工作距离)，以补偿上述几何误差，获得正确对象尺寸的方法的流程图。为了克服前文所描述的误差，在实施例中，计算单元10被配置为执行以下方法：
1.(步骤150)：判定工作距离wi。可如上文所描述的执行此步骤。
2.(步骤152)：使用wi估算所测量的杆直径di。可如上文所描述的执行此步骤。此步骤可构成用于使用当前的校正参数值来判定所测量的对象尺寸的模块。
3.(步骤154)：通过f(di)估算实际杆直径Di。可通过计算函数f(di)来执行此步骤。此步骤可构成用于计算以当前所测量的对象尺寸作为函数的校正后对象尺寸的模块，其中函数f(di)至少有一部分是因待测对象的横截面几何形状而定义的。
4.(步骤156)：若|Di-Di-1|＜临界值，则停止(步骤158)。此步骤可构成用于判定当前校正后对象尺寸与在前一步骤中计算的最近计算校正后对象尺寸之间的差的模块。临限值的选择取决于所需要的准确度。
5.(步骤160)：ri＝Di/2。
6.(步骤160)：wi+1＝wo+ri。此步骤(及先前步骤ri＝Di/2)可构成用于在步骤156中的差不小于临限值时，更新校正参数(例如，工作距离)的当前值的模块。
7.(步骤160)：增加下标并重复步骤2至6。
注意，上文的步骤(2)至(6)意欲以继续搜寻更新以添加至原始计算的工作距离参数，直至所更新的工作距离参数(初始值加上所更新的增量值)达成相当准确的对象尺寸为止。在该方法停止时，最终(补偿后)的实际杆直径Di(对象尺寸)值可用作输出的对象尺寸。或者，在该方法停止时，可基于所更新的工作距离(即，项wi+1的当前值)来计算最终(补偿后)的对象尺寸。这些做法中的任一者可构成用于计算最终测量的对象尺寸的模块。
此外，请留意，上文的项wo所代表的是基于上文结合图1至图5所概括的方法计算而得的工作距离的初始值，并且在该方法的循环中保持不变(即，随着实际杆直径D愈来愈接近准确值，仅项ri随着该方法的循环更新)。前述步骤可构成用于调整一个或多个系统校正参数以修正几何误差的模块。
本领域技术人员应了解，尽管对象60的二维投影是矩形(即，如所获取的影像28中所见)，上文所描述的函数f(d)取决于对象60的横截面几何形状。在一个实施例中，装置100被配置为在执行上文所描述的针对几何误差修正或补偿的调整时，默认为圆/圆形形状。然而，在替代实施例中，装置100被配置为具有使用者接口，该使用者接口被配置为允许使用者选择对象横截面形状，计算单元将使用该横截面形状在改进测量结果时选择对应的几何形状相依函数f(d)。图11中所记载的例示性形状(圆状、正方形、矩形、菱形等)也将用于此目的。
在此特别强调，上文中结合几何误差修正(即，函数f(d))所描述的形状选择不同于结合未对准修正所描述的形状选择。换言之，本发明的测量装置可配置有使用者接口以供使用者进行两种不同的形状选择。第一形状选择为选择预期的2D投影形状以达成判定平行度及/或垂直度(见图4A、图4B及图5)以用于校正未对准(即，用于在测量平面不垂直于相机主轴时的校正)的目的。通过已知的预期二维形状，计算单元可分析影像(如在图4A至图4B中所说明的)，且可进一步映射至垂直于相机主轴的平面中。第二形状选择为在测量对象的二维侧视投影时选择横截面形状，以针对视角误差进行调整和修正。选定的横截面几何形状基本上不影响在对象的二维投影影像中所见的几何形状。举例而言，很多状况下的二维投影都是矩形，即使横截面形状变化(例如，具有不同横截面形状的直杆)也如此。
图10为分布式网络的图示方块图，该分布式网络包括展示成与数据中心计算机电子通信的另一测量装置实施例8c。图10展示装置8c可在本地储存与测量事件相关的各种信息162，例如，测量数据164l(例如，对象尺寸)、进行测量时的时间/日期1642以及其它信息164n。在此实施例中，装置8c包括通信模块166，该通信模块166被配置为经由其通信模块170将信息162的全部或仅一部分(例如，测量数据164l)传输至数据中心计算机168。通信模块170可为本领域中已知的各种有线连接，诸如USB、RS232、TCP/IP(即，通过以太网)等，但也可提供无线连接，诸如WiFi、蓝牙等(即，通信模块166将是被配置为根据预定的无线通信协定而操作的无线发送/接收单元——例如，与WiFi兼容和与蓝牙兼容的通信模块中的一个)。
测量装置的使用者可在日志或类似的构件中记录关于何时、何处进行测量、进行何种测量及如何进行测量等的测量结果。自使用者的观点而言，上文所描述的通信功能协助(且减轻)记录测量信息的负担。在另一实施例中，该装置被配置为将测量结果自动记录。在另一实施例中，数据中心168可具有通信线172，其将数据中心计算机168耦接至局域网及/或广域网(例如，轧钢厂网络)，以将对象测量数据较广泛地分布及使用。
图12所示为可并入又一测量装置实施例中的用于指导使用者进行设定调整的方法的流程图。如在背景技术中所描述的，本领域普通技术人员知道，若影像过暗(暗噪声)或过亮(饱和)，则成像传感器将不会对光产生线性反应。因此，对于计算单元(即，在诸实施例中的任一者中的计算单元，例如图6A至图6B中的计算单元110)，有必要提供使用者接口，用以指导使用者对相关曝光设定进行调整，以使得其所关注的影像在成像传感器的线性范围内。该指导可为所关注的影像的亮度指数(显示给使用者)。对于该装置，还可能经由自动增益调整或光圈调整或两者来将影像亮度自动调整至预设的恰当位准。同样，本领域技术人员将了解何谓正确聚焦值，且理解正确聚焦可经由影像中的聚焦指数来促进(并显示给使用者)，以指导使用者进行聚焦调整或自动进行聚焦调整。
在一个实施例中，测量装置可包括在屏幕(例如，图5B的屏幕112)上显示的多个读数，该读数可随着使用者调整聚焦、曝光及类似物的各设定而由计算单元持续刷新。显示的读数将提供关于每个设定何时调整到可接受范围的指导(例如，过低、过高、可接受范围)。
在替代实施例中，测量装置可包括在屏幕(例如，图5B的屏幕112)上显示的复合读数，该复合读数随着使用者调整单一设定而持续刷新。显示的单一读数将提供“可接受”或“不可接受”调整等形式的指导。使用者仅需调整单一设定，直至输出指示符合可接受区为止。在又一实施例中，当调整好设定以产生满足预定质量标准的影像时，测量装置显示或输出“条件确认”。作为另一替代例，测量装置自身的使用可被禁用，直至设定调整到可接受区为止。禁用测量装置防止了准确度可疑的尺寸测量数据。
图12为实施使用者指导接口特征的例示性方法。该方法始于步骤188。
在步骤188中，如上文所描述，计算单元评估至少一个聚焦、曝光等的设定。
在步骤190中，计算单元产生有关经评估的设定的输出(例如，读数显示屏幕)。其中输出显示被配置为指导使用者(如上文所描述)进行所需的调整以获得适当的影像。适当的影像是满足预定质量标准的影像，使得可依赖该影像产生准确测量，诸如，影像中的该对象处于合理焦点，该影像基本上为灰阶(即，无饱和也无暗电流情形)等。
在步骤192中，计算单元判定是否满足预定的影像质量准则(期望着眼于聚焦、曝光等)。若答案为“是”，则该方法继续进行至步骤196，其中由计算单元输出“条件确认”信号，向使用者显示已对设定进行了恰当调整(即，影像将满足预定质量准则)，且该装置现正取像以进行测量。在一些实施例中，若先前已禁用该装置，则将启用该装置以允许进行测量。然而，若答案为“否”，则该方法分支到步骤194，其中在接收到另一使用者输入之后，重复该过程(步骤188、190、192)。
在步骤194中，计算单元(例如，经由接口，诸如，硬键或软键或其它可调整刻度盘、环等，如结合图6A至图6B中的装置所描述的)获得另一使用者输入(即，对设定的调整)。
结合图12所描述的前述步骤可构成用于使使用者能够调整针对聚焦及曝光的至少一个设定的模块或机构，其中计算单元被配置为指导该使用者调整此设定以便获得满足预定质量准则的影像。
其它变化是可能的。举例而言，根据本发明的测量装置可配置有使用者接口，该使用者接口允许使用者改变与该装置的成像系统部分相关联的视场(FOV)。举例而言，在一个实施例中，使用者可通过添加固定的附接透镜来改变“变焦”位准(即，镜头焦距)。该使用者接口被配置为允许该使用者接着改变用于上文所描述的处理逻辑中的变焦(或放大)因子。
尽管已经以当前视为最实用且最佳的实施例的内容描述了本发明，但应理解，本发明并不限于所揭示的实施例，相反地，本发明意欲涵盖属于所附权利要求的精神与范畴内的各种修改及等效配置，所附权利要求的范畴将在法律许可范围内做最广泛解释以涵盖所有这种修改及等效结构。

Claims (24)

1.一种用于判定对象的尺寸的装置，所述装置包括：
成像系统，其被配置为获取所述对象的影像；
参数识别器，其被配置为判定至少一个校正参数；以及
计算单元，其被配置为使用所述至少一个校正参数来从所述影像判定所述对象的尺寸。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述参数识别器包括从包括下列各项的组中选择出的一个：光学三角测量装置、以干涉测量为基础的系统、声波/超声波系统、以及上述中的一个或多个的组合。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述参数识别器包括：用于检测指示工作距离的信号的模块，所述参数检测模块包括设置在所述装置中以在所述成像系统的视场中输出激光光束的激光源，所述激光光束被配置为在所述对象上产生可由所述成像系统成像的激光光点，所述成像系统被进一步配置为获取具有所述激光光点的像的所述对象的校正影像，所述参数识别器被配置为识别所述校正影像中的所述激光光点的像。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述参数识别器被配置为判定所述校正影像中的所述激光光点的像的位置，所述参数识别器被配置为基于(i)至少所述激光光点的像的所判定的位置以及(ii)与所述激光源及所述成像系统相关联的预定的数据，来判定所述成像系统与所述对象之间的工作距离，所述校正参数包括所判定的工作距离。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述尺寸包括二维(2D)投影尺寸。
6.如权利要求1所述的装置，其中，所述校正参数包括所述成像系统与所述对象之间的工作距离。
7.如权利要求6所述的装置，其中，所述计算单元进一步包括：
用于从所述影像判定像素空间中的对象尺寸的模块；
用于至少根据所判定的校正参数建立尺寸模型的模块；
用于至少根据所述尺寸模型将所述像素空间中的所述对象尺寸转换成实体空间中的所述对象尺寸的模块。
8.如权利要求7所述的装置，其中，所述计算单元进一步包括：
用于调整所述至少一个系统校正参数以修正几何误差的模块。
9.如权利要求1所述的装置，进一步包括：用于使使用者能够调整针对聚焦和曝光的至少一个设定的机构，其中所述计算单元被进一步配置为指导所述使用者调整所述设定以获得满足预定质量准则的影像。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述计算单元被配置为在调整好所述设定使得所述影像满足所述预定质量准则后输出条件确认。
11.如权利要求1所述的装置，进一步包括：用于接收源自电池的电力的模块。
12.如权利要求1所述的装置，进一步包括通信模块，所述通信模块被配置为发送至少包括所判定的对象尺寸的测量数据。
13.如权利要求12所述的装置，其中，所述通信模块包括无线传输单元，所述无线传输单元被配置为根据预定的无线通信协议来操作。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述通信模块是与WiFi兼容及与蓝牙兼容的模块中的一个。
15.如权利要求12所述的装置，其中，所述通信模块被配置为将所述测量数据发送至数据中心计算机。
16.如权利要求8所述的装置，其中，所述至少一个校正参数具有初始值，所述调整模块进一步包括：
用于使用所述至少一个校正参数的当前值来判定所测量的对象尺寸的模块；
用于计算作为当前测量的对象尺寸的函数的经修正的对象尺寸的模块，其中所述函数至少部分地基于所述对象的横截面几何形状来定义；
用于判定由所述计算模块计算的当前修正的对象尺寸与最近修正的对象尺寸之间的差的模块；
用于在所述差不小于临限值时更新所述至少一个校正参数的所述当前值的模块；
用于在所述差小于所述临限值时基于所更新的校正参数来计算最终的所测量的对象尺寸的模块。
17.如权利要求16所述的装置，其中，所述横截面几何形状为圆形、正方形、矩形、菱形、椭圆形或六边形中的一个。
18.如权利要求1所述的装置，其中，所述参数识别器被配置为在所述影像获取期间判定所述至少一个校正参数。
19.如权利要求1所述的装置，其中，所述校正参数进一步包括以下各项中的至少一项：(i)平行度参数，以标定所述对象在二维(2D)投影的所述影像中的一对边缘的平行程度，籍以调整以使得所述边缘基本上彼此平行，(ii)垂直度参数，以标定所述对象在二维(2D)投影的所述影像中的一对边缘的垂直程度，籍以调整以使得所述边缘基本上彼此垂直，及(iii)真圆度参数，以标定所述对象在二维(2D)投影的所述影像中的边缘的真圆程度，籍以调整以使得所述边缘基本上为真圆的部分或全部，所述平行度参数、所述垂直度参数及所述真圆度参数被判定以允许所述计算单元针对所述装置相对于所述对象的未对准来修正所述尺寸判定。
20.如权利要求19所述的装置，其中，所述计算单元被配置为提供使用者接口，所述使用者接口被配置为从使用者获得关于所述影像中的所述二维投影的预期形状的选择。
21.如权利要求20所述的装置，其中，所述计算单元被配置为根据所述二维投影影像的所述使用者选择的预期形状来判定所述平行度参数、所述垂直度参数及所述真圆度参数中的至少一项。
22.如权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个校正参数包括所获取的影像中的所述对象的预期的二维(2D)形状。
23.如权利要求19所述的装置，其中，所述计算单元被配置为提供使用者接口，所述使用者接口被配置为从使用者获得关于对所述影像中的所述二维投影的边缘的平行度、垂直度或真圆度的预期关系的指派。
24.如权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个校正参数包括所获取的影像中的所述对象的所述二维投影的边缘的所指派的关系。
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