CN102792124B - 增强的成像方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于识别物体的表面特征的、准确的高质量图像，其可用作适当的工业过程的输入。其包括用第一照相机跨扫描区域中的扫描线获得目标物体的一部分的第一原始扫描，同时用第二照相机跨扫描区域中的扫描线获得目标物体的同一部分的第二原始扫描。原始扫描转换为数字格式并用源自照明差异测量的展平系数处理。之后，第一和第二照相机展平图像数据集网格化以补偿视差，使它们成为可与已知或测量的目标几何轮廓逐像素地比较的正射图像数据集。之后，基于两个数据集，针对表面坐标选择增强的像素值。因镜面反射引起的表面特征模糊不清因而可有效地消除。

Description

增强的成像方法及装置
技术领域
本发明总体上涉及用于识别物体的表面特征的方法和装置，尤其涉及产生物体的表面反射率的图像数据表示的非接触系统，该图像数据可用作适当的工业过程控制装置的输入。
背景技术
本发明将主要结合使用光获得表示成材板外表面的表面反射率的图像数据以使能计算每块板的三维表面轮廓的准确图像数据进行描述，前述图像数据用于调节制材厂的锯切设备。在资源日益减少的世界，优化所生产的木材的数量或价值很重要。图像数据在板移过扫描装置的线性传感器时从板的一系列表面扫描收集。典型的扫描记录2048像素长×1像素宽的图像数据。然而，可使用区域照相机，因而输入更大的狭长条的像素数据进行图像处理。在已从扫描数据计算板的图像之后，可应用决定自动化设备的最佳切割安排的算法从而实现所希望的板特征同时废件量最小。图像数据中捕获的板表面特征揭示了不规则性如应避免或处理结以满足要从该板制得的件的要求。然而，本发明也可应用于快速和准确的图像捕获有利的其它物体的测量。
用于工业处理的目标物体成像的现有技术水平已可从构建的物体计算机模型获得几何、尺寸信息，只要该物体在组成上同质。
常用于确定板形状的最简单的非接触自动方法在现有技术中称为阴影扫描。板移过一排光束，及板的截面宽度通过测量板在板的另一侧的一排传感器上投射的阴影进行确定，前述传感器与投影光束对齐。光束必须从几个方向施加并通过对应的一组传感器阵列感测以获得粗轮廓。阴影方法不能测量甚或不能检测凹的特征如板中的洞。其测量板轮廓的外皮。
现有技术中已知的用于无接触地确定物体形状的其它方法依靠三角测量原理，其在本世纪之前已在历史上众所周知。该原理的应用可通过考虑从所测物体处的已知位置在空间中按已知方向传送的单一光束进行说明。定位成能从与发射光的方向不同的方向观看物体的、一些适当选择形式的接收系统检测投影光斑的反射出现在所测物体上的接收系统方向。发射器和接收器之间的距离已知并固定。因此，两个角(从发射和接收方向确定)和三角的一边(发射器和接收器之间的距离)得以确定，因而容易计算光斑在物体上相对于测量装置的位置。三角测量通常用于获得几何视图，其本身并不能提供与目标物体的几何形状变化无关的表面外观变化的图像。
现在，本发明提供用于捕获增强的表面外观数据并将其添加到目标物体的几何像的方法和装置。
许多工业扫描应用要求快速捕获目标表面的图像(数字图片)。所有物理目标按两种反射之一反射落在表面上的入射光：镜面反射或漫反射。从具有不规则形状的沿生产线快速移动的目标物体轮廓的距离几何成像、测量和计算例如受到来自照明源的光在被成像物体的各个区域上的镜面反射的干扰。来自目标物体的镜面反射区域在照相机图像上表现为过亮的区域，其还彻底破坏图像在表面外观特征方面的准确度，更不用说表面形状的变化。
镜面反射为光(或有时为其它种类的波)自表面的、镜似的反射，其中来自单一入射方向的光(射线)反射到单一出射方向。镜面反射由入射光将以与入射角一样的角度反射在表面法线的另一侧上的趋势引起。平面镜是非常好的镜面反射器的例子。漫反射为入射光将以全向方式在目标表面上方反射的趋势。镜面反射对漫反射的例子可在“有光”对“平光”涂料的比较中发现，涂有有光涂料的表面相较于涂有平光涂料的表面具有多得多的镜面反射。
用于扫描动态场景的高速图像捕获系统受益于高强度照明源，因为照相机曝光和积分时间可得以减少，从而使捕获的图像更少拖尾及使扫描速率更快。当二维图像通过组合多个顺序获得的线性扫描而获得时，这在工业机器视觉应用中特别重要。机器视觉不限于从多个顺序获得的线性扫描产生的二维图像。
在各种机器视觉应用中需要高质量图像捕获以使图像处理能识别、分离和分类图像中感兴趣的特征。图像质量的一些方面为可预测的强度响应、合并从相邻且相似的图像捕获系统捕获的图像的能力，具有最新的、可负面影响图象处理的“拼接”特征。具有前述特征的、质量好的图像可在只有自目标物体的漫反射(与镜面反射相反)包括在图像中的图像捕获系统中获得。
图像捕获系统的典型难题为照明系统。通常，点源照明是不合需要的，而是需要“平光”或“柔光”照明，即漫射照明。非漫射照明可因光源的位置而导致对比度怪异及目标物体图像上的阴影。如果成像仪器的分辨率太低以至于不能辨析其大小，或者如果物体在非常远的距离处，光源实际上可视为点源。为避免一个或几个点源照明器的镜面反射产生的热斑，许多图像捕获照明系统采用大量光源和/或漫射元件以试图使镜面反射产生的热斑减至最低数量。
对于高速移动的目标，照明器应为闪光而不是持续不变的环境光，以为系统捕获所需要的图像数据。
过去，板的视觉特征仅在切割后在分拣台处考虑。本发明相较现有技术使前述决定能移到木材加工过程中的上游，并使能生产更有用的和更高价值的终端产品。
发明内容
本发明通过处理原始图像线性扫描(“原始扫描”)而提供所扫描物体的准确、高质量的图像，原始扫描可依次组合以形成原始图像(“原始图像”)。原始扫描从分开的照相机同时捕获。照相机可以是CCD、CMOS线性传感器，或使用其它光敏器件，其响应于从视场放射的变化水平的光。按下面概述的那样处理原始扫描以解决畸变及组合所得到的处理后的图像以得到所希望高质量的增强图像，没有镜面反射，在所扫描的物体表面均匀时具有图像均匀性，及在所扫描的物体具有畸变时准确地表现异常区域。
来自分开的照相机的两个(或更多个)对应的原始图像(或在组合为原始图像之前的两个或更多个原始扫描)用“整平”和“网格化”进行处理。之后，比较所得到的两个(或更多个)对应的整平及网格化的图像，及有选择地组合每一图像的部分以提供目标物体的增强的准确的图像(“增强图像”)。“选择性组合”使用处理后的原始扫描的、仅具有漫反射的段，并丢弃这些扫描的具有镜面反射的段。因而在增强图像中实质上排除镜面反射区域。
在此公开的准确的成像方法和装置不仅克服因镜面反射引起的畸变(在选择性组合时)，而且克服因源自照明源的辐射图的变化和照相机沿像素轴的响应性引起的畸变(通过整平)及因视差引起的畸变(通过网格化)。为使用下面更详细描述的选择性组合方法，经整平和网格化消除后面的变化是必要的。因此，整平和网格化在选择性组合图像数据之前进行。
在整平时，补偿原始扫描数据的照明辐射和几何图差异及每一使用的照相机的特定敏感度。除了镜面反射的影响之外，不真实的图像结果主要因从照明源到所扫描物体的辐射几何图差异及照相机敏感度的不规则性引起。在本发明中，照明源和照相机均固定在适当位置，使得通过校正这些差异的影响而可补偿这些图像畸变因素并获得平整视频响应。在应用上面概述的增强成像方法之前，进行整平校准以获得像素幅值校正系数，这些系数为扫描区域中的X(从目标表面到扫描头的轴)和Y(跨目标物体的轴)坐标位置的函数。可从摄影供应公司获得的一连串储备图像、均匀的“灰卡”可随每一照相机及该系统中使用的相应照明器一起采用。“灰卡”制造成具有指定的光学性能，如一侧具有18％反射率及另一侧具有90％反射率。当进行整平校准时为获得更强的视频信号，使用较高反射侧(如90％反射率)。在每一X坐标跨Y进行多个扫描，以平均系统视频噪声。在X＝X 1的范围重复整平校准，之后X＝X 2，依此类推，以获得每一X和Y坐标的基础“平整”视频信号水平。
在沿X轴的每一1/4英寸处采用前述校准扫描足以用于增强图像板扫描目的。为了更大的准确度，可采用更细的整平校准增量。任一情形下，计算机校准为沿X的更细的坐标提供内插值。
整平校准扫描随该系统中使用的每一照相机和相应照明器一起采用。“灰卡”可连接起来以形成足够长的条从而覆盖扫描区域，连接间隙或重叠线可被赋予相邻的测试值，或该条可在第一组测试之后移动以将非接合区域放在前面的接合区域中，且也获得那些坐标的“平整”视频。在实践中，如果测试扫描间隔开1/4"，通常足够了。在整平时，跨扫描区域的所有坐标处的测试“平整”视频的差异系数将应用于从实际目标获得的原始扫描数据。在整平应用于原始扫描之后，结果将称为“平整扫描”。平整扫描可顺序组合为“平整图像”。
关于网格化步骤，组合取自不同照相机的同一物体的不同原始图像的段存在的问题在于不同的原始图像将具有不同的视差。视差为目标的不同区域相对于照相机的角度和距离即沿两个不同的视线看物体的明显位移或方向差异的透视影响，其通过那两个视线之间的斜角或半斜角进行测量。当处于不同位置的两个照相机执行原始扫描以在随后逐像素地组合从而形成目标物体的单一准确图像时，必须计算和补偿视差。当目标物体在已知的范围时，无论具有到照相机的已知距离的玻璃板上的板还是测试纸张，视差的影响均可计算和补偿以产生正射图像。执行“网格化”以补偿从目标到成像系统的距离差异。取消正射图像(“正射图像”，或涉及单一扫描时“正射”扫描)中的图像视差结果，好似图像在无穷距离处获得一样。
视差可使用计算或校准的方法取消并避免使用特殊类型的、已知为远心透镜的视差校正透镜。远心透镜为在其怎样形成图像方面具有独特几何性质的复合透镜。远心系统具有的性质为入瞳或出瞳的位置在无穷远处。这意味着主光线(通过孔径光阑中心的斜光线)分别在系统前面或后面与光轴平行。前述透镜大、昂贵、且通常具有小视场，例如这导致它们不适合扫描长板。
为计算或校准以从图像消除视差，需要目标到成像系统的物理距离的现有知识。当目标处于距系统中的照相机固定距离处时，如在平床扫描仪上，可为该照相机计算/校准一次视差补偿并应用于其后用该照相机取得的每一图像。当目标可能出现在距成像系统不同距离处时，或目标的部分处于距成像系统变化距离处时，在每一原始图像时间时的每一前述距离必须已知以执行网格化。
增强图像的产生因而包括用于至少第一和第二照相机相应捕获的图像中的每一图像的并行阶段。先前为整平目的用照相机校准的照明器照射在目标上以获得照相机0和照相机1中的每一个的扫描。之后该方法继续：
照相机0原始扫描—照相机0原始扫描整平—照相机0整平扫描网格化；并行地
照相机1原始扫描—照相机1原始扫描整平—照相机1整平扫描网格化
之后，来自每一原始扫描的相应(两个，如果使用更多照相机，更多个)得到的正射扫描—整平—网格化并行阶段在分开的第四选择性组合步骤中组合：
照相机0网格化(正射)扫描与照相机1网格化(正射)扫描组合
以得到增强扫描。来自相应正射扫描中的相应像素的最佳像素幅值的选择性组合产生增强扫描。增强扫描可组合以得到增强图像。
应意识到，上述方法可应用于已从各个原始扫描组合的原始图像，来自相应照相机的原始图像之后整平为平整图像，平整图像之后网格化为网格化图像(正射图像)，相应正射图像之后选择性组合为增强图像。该方法中扫描组合为更大的图像是非必需的地方。在组合为图像之前将整个过程应用于各个扫描更简单，但这对本发明并非必需这样，通过适当的计算，扫描组合为图像可在在此公开的方法的任何阶段或步骤进行，其余阶段或步骤则应用于所得的图像而不是应用于扫描。
本发明系统相较使用一个物理照相机给出更好的结果且工作更快，同时处理用多个非同时照明器以不同角度照射在目标材料上取得的图像。其更快，因为目前公开的系统不必等待从每一照明器获得多个图像。仅需要单一图像捕获周期，因而可实现更高的生产率。
本发明适合移动目标，因为两个照相机图像同时捕获，两个获得的图像看同一部分因此看目标物体的相同特征。如果在移动目标系统中使用多个非同时照明，例如当目标在组装线或传送带上时，目标将已在照明之间移动，从而导致成像在每一非同时获得的图像上的特征之间的一致性的丧失。
必须在a)和b)之间进行区分：a)设计的目标或扫描仪的“扫描”移动，沿(通常水平的)平面(如传送带)，在扫描仪照相机传感器安装头和目标上的感兴趣表面之间具有预定恒定距离；及b)扫描仪头和目标之间距离中的非预定“目标范围”移动，如可能因装备振动或目标的变化的三维拓扑特征引起。上面的“移动目标”指设计的“扫描移动”。
在本发明的准确的成像系统中，紧紧控制扫描移动，具有微妙跟踪。等待时间水平设计成使扫描期间的目标位置的空间控制能达到1/1000英寸级的准确度。来自上面提及的并行阶段的两个相应原始图像适当组合以捕获目标的同一部分用于最终的增强图像很重要。理论上，使用区域照相机从移动目标物体的多个照明源获得多个图像是可能的，其随后输入关于物体的计算，但相较在此公开的方法其计算密集度大得多。当太多的像素形成图像数据时，任何无意的目标移动(与针对连续扫描的预定、受控目标移动相反)大大增加补偿性计算问题。在该准确的成像过程中同时使用两个以上照相机的情形下，这甚至是更大的问题。
为获得原始图像和保持已知的图像纵横比，位置编码器用于随目标移动而跟踪目标的位置。位置编码器用于产生指示绝对机械位置或相对于参考位置的增量机械移动的电子信号。优选地，编码器用于以正确的物理间隔触发扫描捕获，或不太合乎需要地，用于从过采样的已知扫描选择所需要的图像，所述选择判据确定所获得的图像的纵横比。
为消除镜面反射，投影仪和两个照相机的物理安排应使得照相机具有足够的物理分隔以避免两个照相机接收同一反射光及对目标的高度镜面反射部分成像。在摄影术语“远场”和“近场”下，照相机相对于扫描区域放置使得目标实质上在照相机的“远场”中。物理学事实是，不管目标的表面特征如何，沿平行于目标物体上的原始扫描线的轴彼此分开和与照明器分开的照相机均不能接收到来自由点源(或实际上点源)照明器照射的同一块目标物体的、过亮的、镜面反射的光斑。对于每一照相机，在照明器和照相机之间有一个且仅有一个镜面反射光路(在该光路，反射角等于入射角)，每一这些光路照到目标物体的不同区域处。
在来自多个照相机的相应原始扫描的整平和网格化之后，所得的正射图像的几何响应水平相当，因为它们已从同一目标获得图像，且两个(在两个以上照相机的情形下，所有)相应正射图像表示无穷远距离的视图。换言之，来自目标的特定特征在两个图像中出现在同一位置处。因此，图像现在逐像素地可比。照相机0正射(扫描或图像)和照相机1正射之间的较高视频信号幅值像素为镜面反射的结果，与漫反射相反。为产生目标的准确的图像而没有使图像畸变的镜面反射区域，这是使能选择每一正射图像的部分包括在一个增强图像中的关键。在对原始扫描执行整平和网格化之后，所得的来自每一照相机的目标正射图像对于目标物体上每一确定的几何位置将具有可能关于幅值响应的逐像素比较。之后进行选择性组合。比较两个或更多个相应正射图像的每一个中表示目标物体的相应段的相应像素幅值，选择较低的值包括在增强图像中。在网格化步骤中，还可能通过选择对应像素幅值的平均或通过取一像素的部分及另一像素的部分而实现改善的成像，尤其在二者均在成像目标的已知正常范围内时。卓越的结果也可通过应用并行阶段的三个步骤、然后在一对2048像素长×1像素宽的原始扫描中每隔一像素地选择性组合、组合其它数据像素而获得，这有效地使用每扫描数据的1024像素并将计算的数据分成两半，相较没有本发明方法时使用1024像素甚或2048像素数据的情形提供更准确的增强图像。
本发明的增强成像方法和装置产生目标物体的多个图像并使它们逐像素可比。比较需要到平面的已知距离、到复杂工程表面(如弧形挡风玻璃，其可通过用于表面特征如裂缝的方法和装置检查)的一组已知距离、或变化表面的几何扫描以获得其几何轮廓。
目前技术水平的几何扫描使用来自激光器的编码光获得目标物体在扫描区域内的X和Y坐标处的几何扫描。也可能使用来自现有技术的“光片”方法来获得目标物体的几何轮廓，但该方法包括在程序扫描头的上游或下游具有区域照相机。所有这些及有关的、用于获得目标物体的几何轮廓的方法及装置在此称为“结构光几何扫描”。在此提出的图像捕获方法和装置允许高强度点源或近点源照明，还消除或大大减少图像捕获系统最后的增强图像中镜面反射的出现。单一LED或激光器为本说明书中“点源”的例子。LED阵列为用于本发明目的的近点源的例子。实际上，在本发明中，点源或近点源合乎需要，因为：
a)其可有效地集成在扫描头外壳内；及
b)其使照相机和照明器能全部按共平面排列而放在扫描头中，这导致本发明方法的计算比这些元件未对准的情形更简单。
在本发明的装置中，照明元件的一个优选方案是使用编码光激光器用于获得目标物体的几何轮廓，及包括15个成排对准的LED且在第一和第二照相机之间的LED阵列用于获得将通过上述方法处理为增强图像数据的原始数据。几何轮廓数据用于识别目标物体表面上的坐标，这些坐标将映射到每一分开的照相机获得的原始图像数据，因而映射到从原始到网格化(正射)图像从而到增强图像的并行通路中的相应整平和网格化图像数据。如果目标物体的几何轮廓已经知道和计算，可能在不使用编码激光器或其他几何轮廓检测手段的情形下使用本发明。例如，本发明可用于检测表面异常如精确制造的物品如挡风玻璃中的裂缝。在使用结构光(如编码激光器)扫描和计算表面的形状和位置(几何轮廓)和使用未编码激光器作为用于第一和第二照相机的一类目标照明器同时获得第一和第二原始数据之间进行区分也很重要。未编码激光器可用于由第一和第二照相机中的每一个获得单色原始图像，而LED为获得彩色原始图像数据提供适当的照明。为获得和使用单色及彩色原始数据，必须循环相应的照明器，例如交替闪光。
本发明可与区域照明一起工作，或与来自点源或近点源的连续照明一起工作，但工业过程中快速的多个扫描的需要要求高强度照明以使照相机能更快的扫描和具有更快的曝光时间。例如，如果LED按照相机需要开、关地闪光，LED可以高得多的强度工作，关时使能进行散热。热对于LED的寿命和性能均是限制因素。在需要特定照明器的扫描之间关掉一照明器还节约电能。在任何情况下，交替照明是必要的，以允许用结构光获得目标物体的几何轮廓和通过第一和第二照相机获得表面外观原始数据之间的复用。通过本发明方法和装置获得和集成单色和彩色原始数据也是有用的。计算机控制用于在所希望的时间触发照明器。
本发明提供产生准确的、高质量的图像的方法，包括步骤：
a)用第一照相机跨扫描区域中的扫描线获得目标物体的一部分的第一原始扫描，同时用第二照相机跨扫描区域中的扫描线获得目标物体的同一部分的第二原始扫描，第二照相机在照相机区域中与第一照相机分开使得第一和第二照相机对目标物体的同一部分具有实质上不同的视角；
b)将第一原始扫描从模拟格式转换为数字格式从而得到第一原始图像数据，及将第二原始扫描从模拟格式转换为数字格式从而得到第二原始图像数据；
c)用源自照明和跨扫描线的第一照相机响应的差异测量的第一组整平系数将第一原始图像数据处理为扫描区域中的均匀漫反射目标从而自目标物体得到第一平整图像数据，及用源自照明和跨扫描线的第二照相机响应的差异测量的第二组整平系数将第二原始图像数据处理为扫描区域中的均匀漫反射目标从而自目标物体得到第二平整图像数据；
d)用第一组计算结果补偿第一平整图像数据中的视差从而得到第一正射图像数据；及用第二组计算结果补偿第二平整图像数据中的视差从而得到第二正射图像数据；
e)比较对应于目标物体上的坐标位置的第一正射图像数据和对应于目标物体上该坐标位置的第二正射图像数据；
f)从下面选择像素强度值以用作表示目标物体上该坐标位置的增强图像数据：
i)对应于该坐标位置的第一正射图像数据；
ii)对应于该坐标位置的第二正射图像数据；
iii)对应于该坐标位置的第一和第二正射图像数据的组合结果。
关于上述步骤d)，第一平整图像数据中固有的视差不同于第二平整图像数据中固有的视差，二者必须用相应组的计算结果补偿以获得第一和第二正射图像数据。正是那些不同的正射数据集随后可逐像素地比较并用实际目标表面上的单一几何点识别。
关于上述步骤f)，一个例子为优于来自第二正射数据的相应数据从第一正射图像数据选择像素强度值(二者对应于几何数据中该像素的坐标位置)，因为该位置的像素强度值在第一正射数据中低于第二正射数据中的情形。另一例子，归入上面的f)iii)下面，为取该像素的加权平均强度值，强度值从第一和第二正射数据得到。使用这样的方案取决于特定的目标物体表面特征及希望从其获得的增强图像类型。在实践中，以跨目标物体扫描连续的扫描线而重复权利要求1的步骤，从而得到表示目标物体上的相应坐标位置的增强图像数据序列，并从这些增强图像数据序列组合目标物体的增强图像。控制扫描期间目标物体的移动以在扫描期间保持已知的图像纵横比并避免增强图像畸变。在扫描期间使用来自位置编码器的电子信号以指示目标物体相对于扫描区域的参考位置的位置。例如，目标可借助于传送带在扫描头下面沿z轴行进。作为备选，可能有优选在目标物体上方沿z轴移动扫描头的工业情形，例如目标非常重的情形。位置编码器不必与z轴对准。其可感测和计算z轴运动，尽管其到目标通路的传感器例如在与z轴成45度处。在任何情况下，扫描由位置编码器以目标物体移过扫描区域的已知增量间隔触发。
为对抗镜面反射，选择用作增强图像数据的像素强度值应为来自第一正射数据和来自第二正射数据的两个相应正射像素数据值中的较低值，从而选择来自目标物体的较低的镜面反射。
目标物体的有关部分的几何位置可通过结构光几何扫描获得，使能将第一原始数据像素映射到对应的第二原始数据像素。如果编码激光器用于结构光(而不是使用彩色光带，例如)应注意，激光器的该用途不同于在系统变体中未编码激光的使用，前述系统变体中未编码激光照明器连同单色照相机一起使用以获得至少一组单色原始图像数据。然而，在许多情形下，大多数提供信息的原始图像数据通过使用LED在图像捕获扫描期间照射目标物体而由第一和第二照相机获得。
自结构光几何扫描仪照明器以获得目标物体表面轮廓及自原始图像数据照明器以获得图像的原始数据之间的交替激发被使得相对于目标物体的z轴扫描移动实际上同时，其通过使来自相应照明器的闪光之间的时间足够短使得为补偿目标物体在激发之间的扫描移动计算的坐标位置调节在计算限制内从而使所得的结构光几何轮廓数据和对应的原始图像数据与像素分辨率相互关联。
将增强成像方法和装置应用于原始数据的各个连续扫描线很方便，以增强数据的“扫描”线结束，之后连续的增强线可用于组合为大的二维图像。然而，连续的“扫描线”的组合可在获得原始数据之后的任何阶段进行，其余步骤则应用于二维图像数据。
在具有宽目标物体的工业应用中，
a)用源自照明和跨扫描线的第一照相机响应的差异测量的第一组整平系数将第一原始图像数据处理为扫描区域中的均匀漫反射目标从而自目标物体得到第一平整图像数据，及
b)用源自照明和跨扫描线的第二照相机响应的差异测量的第二组整平系数将第二原始图像数据处理为扫描区域中的均匀漫反射目标从而自目标物体得到第二平整图像数据；
上述二者应执行为具有多个同样的相邻扫描头的标准水平的图像平整，每一个使用照明器、第一照相机和第二照相机、及本发明的处理方法。通过前述处理获得的、相邻扫描头下面的目标上的相邻区域的多个平整图像之后可连接以形成目标的整体图像，在来自相应的相邻扫描头的多个增强图像之间没有明显的图像准确度不连续。本发明使能前述连接的图像之间几何学上精确的拼接线并避免相邻增强图像的部分的奇异重叠。拼接线本身上的像素可从相邻组的增强图像数据选择性组合。在优选实施例中，目标物体上相邻区域的多个图像通过截顶和沿拼接线对准而连接在一起，拼接线精确到每一像素(而不是重叠相邻的图像)，以使目标物体特征的不连续最小化，及使目标物体上相邻几何位置的图像强度值的不连续最小化到低于图像背景噪声值。
上面公开的方法可用在此指出的装置实现。有关数据的每一处理步骤可通过中央计算机或专用处理模块完成。该装置应包括：
a)至少两个照相机，设置成用第一照相机跨扫描区域中的扫描线获得目标物体的一部分的第一原始扫描，同时用第二照相机跨扫描区域中的扫描线获得目标物体的同一部分的第二原始扫描，第二照相机在照相机区域中与第一照相机分开使得第一和第二照相机对目标物体的同一部分具有实质上不同的视角；
b)模数转换器，用于将第一原始扫描从模拟格式转换为数字格式从而得到第一原始图像数据及将第二原始扫描从模拟格式转换为数字格式从而得到第二原始图像数据；
c)平整图像处理模块，其用源自照明和跨扫描线的第一照相机响应的差异测量的第一组整平系数将第一原始图像数据处理为扫描区域中的均匀漫反射目标从而自目标物体得到第一平整图像数据，及用源自照明和跨扫描线的第二照相机响应的差异测量的第二组整平系数将第二原始图像数据处理为扫描区域中的均匀漫反射目标从而自目标物体得到第二平整图像数据；
d)网格化图像处理模块，其用第一组计算结果补偿第一平整图像数据中的视差从而得到第一正射图像数据及用第二组计算结果补偿第二平整图像数据中的视差从而得到第二正射图像数据；
e)选择性组合图像处理模块，其比较对应于目标物体上的坐标位置的第一正射图像数据和对应于目标物体上该坐标位置的第二正射图像数据并从下面选择像素强度值以用作表示目标物体上该坐标位置的增强图像数据：
i)对应于该坐标位置的第一正射图像数据；
ii)对应于该坐标位置的第二正射图像数据；
iii)对应于该坐标位置的第一和第二正射图像数据的组合结果。
作为上面e)iii)的例子，选择性组合图像处理模块可适当地编程以从第一和第二正射数据取任何给定像素位置的平均强度值，如果该像素落在将用于与来自伸长的目标物体的相邻装置的增强图像邻接的增强图像的边缘上，前述伸长的目标物体如原木或长板。
优选地，本发明装置还包括计算机，设置成获得跨目标物体的连续扫描线及表示目标物体上的对应坐标位置的增强图像数据序列，和从增强图像数据序列组合目标物体的增强图像；及包括位置编码器，设置成跟踪扫描期间目标物体的移动以在扫描期间保持已知的图像纵横比并避免增强图像畸变。计算机也可设置成从相邻的扫描头执行图像拼接，每一扫描头例如具有第一和第二照相机及成像照明器。优选地，每一扫描头还具有编码光、激光照明器，用于将来自目标物体的几何轮廓数据提供给计算机。
选择性组合图像处理及其它模块可体现为硬件或软件和计算机硬件的结合，进行编程以选择来自第一正射数据和来自第二正射数据的两个对应的正射像素数据值中的较低值用作增强图像数据，从而选择来自目标物体的较低镜面反射。
结构光几何扫描仪，其为已知技术，可用于获得目标物体的有关部分的几何位置。然而，使用该信息用于将第一原始数据像素映射到对应的第二原始数据像素以为整平、网格化处理模块做准备是新的特征。同样，通常使用LED照明器结合彩色照相机来获得彩色图像，然而，以所述方式使用具有第二照相机的LED照明器与照相机的组合是新的特征，其中对应的两组原始图像数据首先发送通过整平模块、然后通过网格化模块、最后通过选择性组合模块，以得到增强图像。
附图说明
图1为本发明的增强的成像方法和装置的基本步骤和元件的框图。
图2为本发明装置的扫描头坐标系统几何构造和扫描区域的例子的示意图。
图3为本发明装置的双照相机、双照明器例子中的部分光路的光学示意图。
图4为图示镜面反射对漫反射的透视图。
图5A为投影仪辐射图的曲线图。
图5B为在沿图2的X轴的三个距离处的三个投影仪辐射图的曲线图。
图6A为照相机0的灰卡原始图像数据的曲线图，具有将明显的线反映在灰卡上的畸变“凹陷”。
图6B为照相机1的相应灰卡原始图像数据的曲线图，示出了与图6A不同的畸变“凹陷”。
图7A为照相机0的计算出的整平系数的曲线图。
图7B为照相机1的计算出的整平系数的曲线图。
图8为获得整平系数以随后在整平子过程中使用的框图。
图9示出了灰卡图像数据的长电子数据表的开始和结束之处。
图10A为照相机0的平整图像数据的曲线图。
图10B为照相机1的平整图像数据的曲线图。
图11示出了在使用两个分开的照相机查看目标表面的同一区域时的视差问题。
图12A为照相机0的来自目标灰卡的正射图像数据(即整平和网格化后的)的曲线图。
图12B为照相机1的来自目标灰卡的正射图像数据(即整平和网格化后的)的曲线图。
图13为包含照相机0、照相机1和照明器的扫描头、一段木材、及编码光条的正射图。
图14A为照相机0的、来自带状目标的原始图像数据的曲线图，表明了带状目标上的中间畸变。
图14B为照相机1的、来自带状目标的原始图像数据的曲线图，表明了与图14A的带状目标中间畸变不同位置的畸变。
图15A为照相机0的来自带状目标的、网格化后的正射图像数据的曲线图。
图15B为照相机1的来自带状目标的、网格化后的正射图像数据的曲线图，表明来自带状目标的中间畸变现在与图15A中一样沿水平轴排成直线。
图16A为来自照相机0的原始图像数据的实际图像，示出了目标物体板的中间区域中的镜面反射区域，并指示了板右边的其它畸变。
图16B为来自照相机1的原始图像数据的实际图像，示出了更靠近同一目标物体板右侧的不同镜面反射区域，并指示了板中心对应于图16A的镜面反射区域的畸变。
图17A为来自照相机0的正射(整平和网格化后的)图像数据的实际图像。
图17B为来自照相机1的正射(整平和网格化后的)图像数据的实际图像。
图18为选择性组合来自照相机0的正射图像数据和来自照相机1的正射图像数据以得到增强图像的框图。
图19A为三条图像输出数据线的曲线图，一条来自正射图像0，一条来自正射图像1，及一条通过选择性组合来自正射图像0和正射图像1的数据而产生的增强图像数据。
图19B为用本发明方法和装置从原始图像数据形成的实际增强图像。
图20为一系列四个扫描头、扫描长板的四个相应重叠段的示意性表示。
具体实施方式
参考图1，照明器16将光107照射在目标物体17上。漫反射和镜面反射的混合分别沿到照相机0和照相机1的各个光路如108和109处出现。给照相机0的光输入通过模数转换器中的A/D转换2，其输出一组原始扫描0数据4。之后，原始扫描0数据4经历整平处理6，其校正每一像素在照明图和照相机敏感度方面的差异。之后，整平扫描0数据8转到网格化处理10，其校正数据的视差影响，即从照相机0的角度跨目标表面以更大的斜角加宽像素空间。所得的正射扫描0数据12转到选择性组合模块14。
同样地，给照相机1的光输入通过模数转换器中的A/D转换3，其输出一组原始扫描1数据5。之后，原始扫描1数据5经历对应于另一照相机0的输出通路的整平6的整平处理7。之后，整平扫描1数据9转到网格化处理11，对应于另一照相机0的数据通路的网格化10。所得的正射扫描1数据13同样转到选择性组合模块14。
选择性组合模块14使用预先选择的方法逐像素或逐组像素地比较正射扫描0数据和正射扫描1数据，及使用最佳匹配选择性组合判据的数据，如来自正射扫描0和正射扫描1的每一相应像素的较低图像数据值，假定较高数据值指示镜面反射而不是漫反射。
计算机控制19使用工业装配线中已知的装置即位置编码器18跟踪目标物体17在扫描区域中的位置并随着扫描进行将来自照相机0和照相机1的读数映射到目标物体上的特定位置。计算机控制还控制照明器16的时间和发射、将整平系数应用于整平处理6和7中的原始扫描0和1、在网格化10和11时计算和应用视差校正、及使用户能控制将要应用的选择性组合14判据以得到增强图像15。
参考图2，扫描头21装有用于获得多组原始图像数据的照相机和照明器。扫描头21直接定位在扫描区域22上方，目标物体可传送通过扫描区域(当然，作为备选，在扫描固定的目标物体时可在扫描区域22上方跟踪扫描头21)。纵向X轴23从扫描头21的中心延伸到扫描区域的中心。扫描区域22具有景深28(如8英寸)，在该景深内目标物体将针对扫描头的照相机适当对焦。横向的Y轴26横跨扫描区域22的宽度。典型的扫描区域宽度为2英尺，及扫描头21和扫描区域之间的典型距离25为2-3英尺，当然具有适当照相机和照明器的其它距离安排也可以。同样，有用的扫描头高度29对于木材加工应用约为6英寸，大小做成使得照相机、透镜、照明器、扫描窗口及相关电路板均包含在结实的外壳内。
参考图3，照相机0(物品33)具有覆盖整个扫描区域22的视场35，从线35a到目标物体扫描区域左上点39、到线35b、到目标物体扫描区域右上点40。同样，照相机1(物品34)具有覆盖整个扫描区域22的视场36，从线36b到目标物体扫描区域右上点40、到线36a、到目标物体扫描区域左上点39。激光照明器31在整个扫描区域22上方提供编码光，具有编码激光投影场37，从线37a到目标物体扫描区域左上点39、到线37b、到目标物体扫描区域右上点40。LED照明器32在整个扫描区域22上方提供广谱光，具有LED投影场38，从线38b到目标物体扫描区域右上点40、到线38a、到目标物体扫描区域左上点39。
图4A示出了镜面反射，其中入射光42自物体41反射，实质上所有得到的反射光43以同样的角度44离开物体。接收反射光43的照相机将在物体41上“看见”一片强光而不是反射区域的物体的详细图像信息。图4B示出了漫反射，其中入射光42从物体45散射，导致多个反射光束如46、47、48和49。当通过成像系统查看时，该类型的反射可提供物体45的图像细节。镜面反射的性质在于，自单一照明器源，从一部分目标离开的镜面反射仅可由两个照相机之一(不合需要地)捕获，两个照相机沿目标上方的线物理上分开，照明源也恰当排列在该线上。
如果点源(或近点源)照明器(如图3中的LED照明器32)跨扫描区域投射光，由于随着距离增加光散射及由于随着光自其源前进光的结构差异，所得到的投影仪辐射图将跨扫描区域改变。图5A示出了投影仪辐射图在沿曲线图的Y轴(对应于图2中扫描区域的水平Y轴)的多个位置处的变化幅值(沿相对幅值轴51)的例子。光传感器的弧度幅值在位置55处低，快速上升到位置54，继续上升通过55(尽管不太陡峭)，在56处达到峰值，然后快速下降通过位置57。图5B示出了扫描区域内对于灰卡的不同高度的幅值响应的相应曲线，即在沿图2的纵向X轴的不同位置处(X＝24、X＝28和X＝32)。
图6A示出了当LED照明器(图2中的32)跨扫描区域(图2中的22)中的几个邻近的反射灰卡投射光时由照相机0拾取的原始图像强度的相应变化。线67A的所得图像像素在靠近原始图像强度轴61处以低值开始，逐渐增加直到63A处有异常和突然的凹陷为止(对应于扫描区域中灰卡之间的小间隙的几何位置)，再次增加到峰值66A，及曲线稍微向下到64B处的下一异常和突然的凹陷(对应于扫描区域中灰卡之间的另一小间隙的几何位置)，及继续向下到65A处的第三异常和突然的凹陷(对应于扫描区域中相邻灰卡之间的第三小间隙)。
图6B示出了由照相机1拾取的比较原始图像强度线67B，再次地，在63B、64B和65B处有异常的凹陷。然而，应注意这些凹陷(同样对应于扫描区域中相邻灰卡之间的小间隙)的位置对于照相机1处于不同于图6A中对于照相机0的像素数处—这由照相机0和1的不同位置和视角引起。同样应注意，尽管图6A中66A处对于照相机0的峰值强度在异常凹陷64A之前(其左边)来到，但在图6B上超过像素400的比较位置(如66B)尚未达到照相机1看到的峰值强度，其峰值出现在越过异常凹陷64B及超过图6B上的像素600的像素数(y轴62上)处。照相机0和照相机1中的每一个记录来自同一目标物体的图像数据，但图像数据不同。还以某种方式保持采取每组图像数据中的最佳数据用于最终使用。
之后，图6A和6B中所示的结果用于获得针对照相机0和照相机1中的每一个的整平系数(如对于220的照明器亮度)，如图7A和7B中所示。在它们括号内的副标题“对于亮度＝220”中，“220”指亮度标度在1-256范围的水平。在图7A和7B中，所需要的整平系数值在轴72上的低像素数处以高值开始，逐渐减小越过点73A(图7A，对于照相机0)及73B(图7B，对于照相机1)，分别在74A和74B处到底，分别越过75A和75B再次上升。使用插值分别代替图6A和6B的异常凹陷以获得针对跨扫描区域的、照相机1和2中的每一个的像素的整平系数。
在“整平”方法中，具有已知的实质上一致的漫反射性质的样本目标在已知距离处进行成像，同时由系统中将要使用的每一相应照明源和照相机照射。选择“标称平整”信号水平(考虑最小和最大原始信号幅值和下游处理的动态范围)。确定用于成像系统中的每一像素的系数，使得每一像素的系数，当乘以其对应的原始图像像素幅值的幅值时，将导致可线性校正到目标的已知反射性质的标称平整像素幅值值(达到量化及其它噪声源允许的准确程度)。在整平之后，来自两个照相机的图像被视为在反射率响应基础上归一化。
保存用于从扫描区域反射的、每一照相机的所有像素数的整平系数使每一照相机的原始图像数据能处理为每一照相机的平整图像数据。图8示出了将要使用的方法和装置：照明器16将光投射到均匀的样本目标81上，照相机1记录在扫描区域平面中x和y坐标处的第一像素的标称平整信号82，为该像素得出整平系数83。在循环84中重复该过程直到用于所有相应像素位置的整平系数表建立为止，例如以获得220的亮度水平，对于该照相机最大256。
图9为在扫描头和目标之间的24英寸处取得的、连续像素与原始数据列91和照相机1灰卡整平系数列92组合的电子数据表。该表还具有反映网格化处理的目标平整列93和正射目标列94，网格化处理将像素的平整数据转换为同一照相机的正射数据。因而得到一组共系数(例如，扫描头和目标之间每一潜在合适的1/4英寸)。之后，合适的整平系数可应用于如图6中所示的每一行原始数据。
一旦照相机0的数据和照相机1的数据经网格化处理而处理为正射0和正射1数据，来自照相机0和照相机1的相应数据集(C0，C1)之后且仅在之后逐像素地(C0,x,y；C1,x,y)比较，其中每一个对应于目标物体本身上的同一像素区域。
图10A示出了将整平系数应用于照相机0的灰卡目标图像数据的结果。对于沿轴102的像素数，沿轴101的整平强度沿线106A稍微变化，具有异常凹陷103A、104A和105A等例外，这些凹陷仍然表示相邻灰卡之间的小间隙。同样，在图10B中，示出了照相机1的平整灰卡目标，具有沿106B的异常凹陷103B、104B和105B，同样表示目标扫描区域中相邻灰卡之间同样的小间隙，但对于照相机1(图10B)，处于不同于照相机0的异常凹陷(图10A)的像素数处。在图10A和10B之间，仍可从相应异常凹陷的不同位置看到视差的影响。
图11示出了在尝试比较一照相机的像素数据和另一照相机的像素数据时的视差问题，其中目标在于使用两个照相机的图像数据获得目标上同一区域的增强图像。扫描区域目标物体118上的点112和113之间的表面线可在扫描头位置110处由照相机看到，具有沿标称1:1基础上的线114的像素。然而，在扫描头位置111处的第二照相机看到点112和113之间的同一表面线具有沿线115的、更窄的一组像素。该两个视角的视差与目标物体118上的点116和117之间的表面线的视差相反。影响在于，相较覆盖目标物体上直接在照相机下方的区域的照相机像素，来自任一照相机的覆盖目标上更多地方的像素中的每一像素更远。正透视图用远离目标无穷远处的照相机取得。
图12A示出了对于照相机0的灰卡照片，网格化像素轴122与整平及网格化强度轴121之间关系的曲线图。网格化通过随着沿相应目标表面的视差增加将其来自图10A的图像数据移动渐增分数的像素而校正照相机1的视差。整平及网格化强度线125A数据在左边的123A和右边的124A处结束关联。在二者之间，仍可在126A和127A处看到异常凹陷，反映灰卡小间隙。图12B示出了照相机1的相应整平及网格化强度数据。应注意到，图12B中左和右不关联边界123B和124B现在与图12A中的相应123A和124A对准。类似地，图12B中的异常凹陷126B和127B现在与图12A中的相应凹陷126A和127A对准。线125A和125B不一样。然而，它们可进行逐像素地有意义的比较。图12A(照相机0)上特定网格化像素数的每一强度值可与图12B(照相机1)上的相应网格化像素数比较，因为现在每一个均表示目标物体上的相同位置。
图13示出了扫描头131、木材板132、激光器发射的编码光图案133。当木材132通过编码光条的扫描图案时，从木材回到照相机的反射将在反射光中表明从其可计算木材的几何形状的信息。几何形状可用坐标进行映射。美国专利5,615,003(电磁轮廓扫描仪)和5,986,745(共平面电磁轮廓扫描仪)详细示出了用于确定物体表面的形状和尺寸的系统包括用于将空间编码的辐射图如激光投射到物体上的投影仪。该系统还包括能够对反射图案进行成像的接收装置及用于确定反射图案的哪一部分对应于投影图案的哪一部分的鉴别器。通过该手段，所接收的表示来自投影图案的非完整反射的信号可与扫描物体的分离的部分相关联。重复该程序以获得足够可靠的数据从而产生适度可靠的表面轮廓。所得的一组所接收的信号及关联用于计算物体的形状和尺寸(几何轮廓)。
木材和其它物体的表面外观给出有用的关于木材特征的信息，此外给出其纯粹的几何轮廓。例如，在完成的木材中节子是主要关注的地方。除了对于特定应用美观上合乎需要或不合乎需要之外，木材节子存在结构问题，尽管它们在木材板的纯粹几何轮廓中表现并不明显或根本不表现(除了节子正好与几何轮廓的脊或凹陷对应之外)。通常，木材板表面足够光滑以至于节子(在存在且可看见时)在板的几何轮廓中表现并不明显或根本不表现。节子比没有节子的木材更难锯切，还具有木材沿其可能破裂的脆弱区域。通常优选使节子埋在一块完成的木材中而不是使其在表面或边缘上。
图14A示出了原始图像强度轴141、像素数轴142、带状目标的来自照相机0的原始图像数据的曲线图。表面畸变146A很明显。还应注意在143A、144A和145A处的高强度条的形状。它们对应于表面畸变146B，及图14B中的高强度条143B、144B和145B，尽管那些特征在图14A和14B中处于不同的像素数处。
图15A和15B示出了相同的数据，但分别针对照相机0和照相机1的整平和网格化。一旦越过153A和153B处的高强度不相干标记，在条的上端(高亮及反射)和下端(黑及无反射)处，数据通常为平整响应。在154A、155A、156A处条的具体形状与154B、155B和156B处的相应特征有点类似。主要点在于在那些点处的纵向整平和网格化强度轴151数据可在照相机0和照相机1之间比较，因为两组数据现在沿水平网格化像素数轴152对齐。特别感兴趣由157A和158B处的整平和网格化图像数据表示的畸变，因为在该区域的强度细节根据视角变化非常大。在前述感兴趣的区域，确定哪一强度像素在照相机0和照相机1之间为增强图像提供最提供信息的数据，其由实际木材的实际图像最佳说明。
图16A示出了木材板的来自照相机0的原始图像，木材板上有第一所选大节子163A、镜面反射区域164A、第二所选大节子165A、第一所选小节子166A、第二所选小节子167A、没有镜面反射的区域160A、第三所选小节子168A和第四所选小节子。图16B示出了同一木材板通过扫描区域，但其原始图像同时自照相机1取得。图16A和16B均映射到像素数轴162(对应于图2中的Y轴26)和扫描数轴161(来自为每一y轴扫描累积的线性扫描阵列)。在图16B中，第一所选大节子(图16A中的163A)的图像标记为163B，对于相应的第二所选大节子165B、第一所选小节子166B、第二所选小节子167B、第三所选小节子168B和第四所选小节子169B依此类推。在图16B中，160B处的镜面反射区域为同一板上完全不同于图16A中164A处的镜面反射的区域。在图16A和16B的板图像中不同的镜面反射区域导致亮图像数据怪异，当试图比较整个板上的图像点数据以准确地读出实际表面异常时这会带来问题。
参考图16A和16B，两个原始图像均通过组合一段板的连续多个线性扫描而产生。来自每一照相机的线性扫描同时获得。三个关键畸变可在这些图像中观察到：
1)像素尺寸的视差。特征(节子163A)在图16A中约在扫描数125及像素数350处观察到，而同样的特征(节子163B)在图16B中出现在同一扫描数125处，但像素数为300。
2)光源的镜面反射。在照相机0的原始图像中，由于来自目标的镜面反射组成，可在约350-600像素看到更亮的幅值。同样的组成应用于照相机1获得的原始图像，约在550-800像素处。应注意且这是关键，由于照相机相对于照明源的几何位移，在两个图像中镜面反射将不源自目标上的同一位置。镜面反射是指来自照明源的光线具有相等但相对的入射角和反射角。
3)由于照明源的辐射图和沿像素数轴的照相机响应引起的变化。
图17A示出了通过本发明的方法和装置从用与图16A中一样的板说明的原始图像数据获得的、来自照相机0的整平和网格化(即正射)图像。图17B示出了通过本发明的方法和装置从用与图16B中一样的板说明的原始图像数据获得的、来自照相机1的整平和网格化(即正射)图像。像素数172和扫描数轴171给出木材在成像时刻的坐标，这些坐标经图1的位置编码器18和计算机控制19提供。由于这些坐标和两个图像已网格化到正射图像，173A和173B处的第一所选大节子、175A和175B处的第二所选大节子、176A和176B处的第二所选小节子、178A和178B处的第三所选小节子和179A和179B处的第三所选小节子均可在视觉上对齐并通过计算机逐像素坐标地比较。镜面反射区域174A和177B(比较没有镜面反射的相应区域174B和177A)显然在同一板上的非常分开的区域。
图18示出了从图17A和17B中所示的、来自照相机0和照相机1的正射图像数据得到增强图像的方法和装置。正射扫描0提供坐标x和y处(像素(OS0,x,y))的照相机0像素强度数据182。同样，正射扫描1提供坐标x和y处(像素(OS1,x,y))的照相机0像素强度数据183。像素在比较模块184处进行比较，选择来自这些像素(例如，在最小量发现器185中，最小强度值像素将排除来自一照相机的镜面反射，而用来自另一照相机的漫反射强度值取代)的值用于增强图像186的组合。正射扫描0数据循环187和正射扫描1数据循环188重复用于连续像素的过程，依此类推。
图19A示出了来自跨图16A、16B、17A、17B和19B中所示的板的扫描线的三条数据强度线：照相机0正射0数据线，其例如在193A和194A处具有过强图像数据区域；照相机1正射1数据线，其在不同像素的位置如195A和196A处同样具有过强图像数据；及增强图像数据线194B，其已通过图18的方法从另两条线逐像素地选择，例如从而产生来自照相机1正射1数据线的点193B(而不是来自照相机0正射0的193A处的数据)及来自照相机0正射0数据线的点195B(而不是来自照相机1正射1的195A处的数据)。增强图像数据线上的高图像数据强度区域如196B反映实际的异常，在该例子中为板边缘。196A下面的纵向线和196B下面的纵向线之间的区域(约从像素930到像素990)仅具有一条数据线—由于视差只有一个照相机提供数据。同样，在图19A的最左边直到约像素95也只有单一数据线(来自另一照相机)。本发明方法有效的扫描窗口为第一和第二照相机重叠的数据处，例如沿像素数轴192的像素128到像素896处。将可用扫描窗口减小到已知增量很方便，如从扫描头中心下面的中心线加和减12英寸目标宽度，在图19B中这将从像素128到896，沿像素数轴192。在图19A中，纵轴191A为整平和网格化后的强度。水平轴为两条正射数据线和所得的增强数据线的、跨扫描线的网格化像素数。前述增强图像数据线阵列可组合为完整的增强图像，例如如图19B中所示。
图19B示出了来自本发明方法和装置的实际增强图像。纵向扫描数轴191和水平像素数轴192与图16A、16B、17A和17B的每一个中的相应扫描数轴和水平轴有关。然而，它们并不线性地对应，因为视差已在从图16A和16B到图19B的增强图像的过程中消除。该图像是图16A、16B、17A和17B中不同成像的同一实际板的图像，较早图像的镜面反射已消除。所选特征(大节子193和195及小节子196、198、199)不仅清楚而且准确地形成其大小。早前在194和197处的镜面反射区域已被消除。甚至在这些区域中的木纹现在也可通过机器准确地读取。总之，图19B中的最后的增强图像没有镜面反射、补偿了照明辐射图和照相机敏感度的变化、及其表面特征(节子、木理纹)相对于实际目标物体从几何学上校正。
参考图20，将看到多个扫描头210、211、212和213可定位在由板扫描段214、215、216和217组成的木材长度方向上方。来自相应扫描头的照明和照相机视场221、222、223和224应部分重叠板扫描段。这将使能复用扫描头使得重叠扫描可通过板扫描段线218、219和200附近的相邻扫描头实现。之后，可为板扫描段之间的线选择优选的像素值，以与上述同样的方式，而不是不必要地将未增强的图像数据处理为拼接线。板扫描段214、215、216和217之间的虚线为说明的目的示出，在实践中通过应用在此公开的增强成像方法和装置，相应的拼接线实质上看不见。
如果闪光之间的时间足够短使得相应的顺序照明实际上同时(牵涉到装备的定时和分辨率限制)，为逐像素、逐行地记录同一目标物体位置，不同照明器顺序闪光的控制和定时很好地发挥作用。例如，如果每秒在扫描头下面通过40英寸的目标板表面，用编码激光器进行1000扫描/秒和用LED阵列及第一和第二彩色照相机进行1000扫描/秒交替，在一对交替的扫描期间(扫描之间的1/2毫秒)，板在该对交替扫描期间仅行进约0.020英寸，这在与像素分辨率关联的计算限制内—有效地，只要目标在每一扫描时不移动而在扫描之间行进这样进行扫描，该过程同样发挥作用，类似于移动事件在闪光灯照明期间看上去被冻结。无论使用单色还是彩色照明和照相机装置，本发明的增强图像从来自两个不同照相机的单一扫描的组合数据得到，其中两个照相机已接收到自至少一照明器通过目标表面反射的光。
本发明的增强的、准确的成像方法可与下述一起应用：
a)针对照明器的输出敏化且正查看目标上的同一区域的两个以上照相机；
b)多个特殊的目标照明器和对应敏化的多个照相机；
c)多样性的区域照相机和环境照明；
具有多个并行阶段(其中两个在图1中示出)，来自每一照相机的图像数据因而在选择性组合之前使用。来自至少一另外的照相机(照相机0和照相机1上方)的另外的正射图像数据可与目标物体上一坐标位置的第一照相机正射图像数据和第二照相机正射数据比较，目标物体上特定坐标位置的正射图像数据的值可基于预选判据进行选择，从而使用第一、第二和另外的正射数据用于组合增强图像。
另外，当适当的穿透性辐射自内界面反射并可通过适当的接收器检测(按反射)时，本发明方法和装置可应用于物体内界面(如层压材料的内界面)的成像。
非必须地，该系统可提供通过使用具有不同的适当焦距或不同的波长敏感度的不同照相机而另外详细增强的增强图像。如果连续的红、绿和蓝扫描足够快地进行以至于在装备的分辨率限制内实际上同时进行，该系统可产生改善的结果。可比较RGB扫描，及如果当与另两种颜色的相应像素比较它们异乎寻常时，可抛弃红、绿或蓝像素。随着扫描进行由于装备的振动和轻微未对准引起的小的图像误差可通过该方法消除。改变第一和第二照相机之间的曝光时间对本发明也是可能的，因为每一照相机记录的像素可逐一识别和映射，也就是说，它们可进行时间和空间匹配并比较，以选择更提供信息的或更有用的像素数据值。本发明使能相应逐像素地比较移动物体的不同视角的图像并从两组像素数据组合成新图像，该新图像具有来自每一组的更提供信息的或更有用的像素。
在上面描述的选择性组合方法中，从两个正射图像中的每一个选择最低强度像素水平以得到没有镜面反射的增强图像。正像两个正射图像可用本发明方法和装置逐像素地和基于响应性地比较，其它图像选择判据可应用于该方法。可能的其它选择判据包括但不限于：像素强度、没有或存在镜面反射、多色图像中的特定颜色强度水平、强度的局部变化、清晰度或多组图像数据内具有确定性的任何其它判据。例如，清晰度可基于一阶差分的量值进行量化，一阶差分按图像内的一维或两维进行。
通过使用本发明方法和装置及控制照相机之一相对于另一照相机的曝光时间，可实现较高的动态范围。例如，如果照相机0具有10毫秒的曝光时间，照相机1具有10/64毫秒的曝光时间，可组合正射图像以使增强图像中的像素深度增加64的因子(6位)。
本发明范围内的变化对本领域技术人员而言显而易见。例如，用于捕获原始图像数据的照明源可以是激光器、LED、白炽灯或任何其它光源或这些光源的阵列。本发明实质上提供基于多个照相机图像数据产生准确的增强图像的快、多用途及有效的方式，通过装置结构及用上面公开和权利要求中提出的步骤中间处理相应照相机的图像数据而使能选择性组合该数据的最好部分。

Claims (40)

1.用于产生准确的高质量图像的方法，包括步骤：
a)用第一照相机跨扫描区域中的扫描线获得目标物体的一部分的第一原始扫描，同时用第二照相机跨扫描区域中的扫描线获得目标物体的同一部分的第二原始扫描，第二照相机在照相机区域中与第一照相机分开使得第一和第二照相机对目标物体的同一部分具有实质上不同的视角；
b)将第一原始扫描从模拟格式转换为数字格式从而得到第一原始图像数据，及将第二原始扫描从模拟格式转换为数字格式从而得到第二原始图像数据；
c)用第一组整平系数处理第一原始图像数据从而自目标物体得到第一平整图像数据，及用第二组整平系数处理第二原始图像数据从而自目标物体得到第二平整图像数据，所述第一组整平系数和所述第二组整平系数均源自整平方法，在所述整平方法中：具有已知、实质上一致的漫反射性质的样本目标在已知距离处进行成像，其中所述样本目标由系统中将要使用的每一相应照明源和照相机照射；及确定成像系统中的每一像素的整平系数，使得每一像素的整平系数在乘以其对应的原始图像像素幅值时将导致标称平整像素幅值，其中所述标称平整像素幅值可根据所述样本目标的已知反射性质进行线性校正；
d)用第一组计算结果补偿第一平整图像数据中的视差从而得到第一正射图像数据；及用第二组计算结果补偿第二平整图像数据中的视差从而得到第二正射图像数据；
e)比较对应于目标物体上的坐标位置的第一正射图像数据和对应于目标物体上所述坐标位置的第二正射图像数据；
f)从下面选择像素强度值以用作表示目标物体上所述坐标位置的增强图像数据：
i)对应于所述坐标位置的第一正射图像数据；
ii)对应于所述坐标位置的第二正射图像数据；
iii)对应于所述坐标位置的第一和第二正射图像数据的组合结果。
2.根据权利要求1的用于产生准确的高质量图像的方法，其中以跨目标物体的连续扫描线的扫描重复权利要求1的步骤从而得到表示目标物体上的相应坐标位置的增强图像数据序列，并从所述增强图像数据序列组合目标物体的增强图像。
3.根据权利要求2的用于产生准确的高质量图像的方法，其中控制扫描期间目标物体的移动以在扫描期间保持已知的图像纵横比并避免增强图像畸变。
4.根据权利要求3的用于产生准确的高质量图像的方法，其中在扫描期间使用来自z轴位置编码器的电子信号以指示相对于扫描区域的参考位置的目标物体位置。
5.根据权利要求4的用于产生准确的高质量图像的方法，其中所述扫描由位置编码器以目标物体移过扫描区域的已知增量间隔触发。
6.根据权利要求1的用于产生准确的高质量图像的方法，其中选择用作增强图像数据的像素强度值为来自第一正射数据和来自第二正射数据的两个相应正射像素数据值中的较低值，从而选择来自目标物体的较低的镜面反射。
7.根据权利要求1的用于产生准确的高质量图像的方法，其中目标物体的有关部分的几何位置通过结构光几何扫描获得，使能将第一原始数据像素映射到对应的第二原始数据像素。
8.根据权利要求7的用于产生准确的高质量图像的方法，其中未编码激光照明器连同单色照相机一起使用以获得至少一组单色原始图像数据。
9.根据权利要求7的用于产生准确的高质量图像的方法，其中LED照明器连同彩色照相机一起使用以获得至少一组原始图像数据。
10.根据权利要求7的用于产生准确的高质量图像的方法，其中，针对目标物体的扫描移动，从结构光几何扫描照明器和原始图像数据照明器交替激发，其中从结构光几何扫描照明器激发是为了获得目标物体位置数据，其中相应照明器的闪光之间的时间足够短，使得为补偿目标物体在激发之间的扫描移动而计算的坐标位置调节在计算限度内，从而使所得的结构光几何扫描数据和对应的原始图像数据与像素分辨率相互关联。
11.根据权利要求1的用于产生准确的高质量图像的方法，其中通过组合表面的连续多个线性扫描而产生二维增强图像。
12.根据权利要求1的用于产生准确的高质量图像的方法，其中：
a)用源自照明和跨扫描线的第一照相机响应的差异测量的第一组整平系数将第一原始图像数据处理为扫描区域中的均匀漫反射目标从而自目标物体得到第一平整图像数据，及
b)用源自照明和跨扫描线的第二照相机响应的差异测量的第二组整平系数将第二原始图像数据处理为扫描区域中的均匀漫反射目标从而自目标物体得到第二平整图像数据；
用多个同样的相邻扫描头执行a)和b)以实现标准水平的图像整平，每一扫描头使用照明器、第一照相机和第二照相机、及权利要求1的处理方法；通过前述处理获得的、相邻扫描头下面的目标上的相邻区域的多个平整图像连接以形成目标的整体图像，在来自相应的相邻扫描头的多个平整图像之间没有图像准确度的不连续。
13.根据权利要求1的用于产生准确的高质量图像的方法，其中目标物体上相邻区域的多个图像沿几何学上精确的像素拼接线连接在一起，以使目标物体特征的不连续最小化，及使目标物体上相邻几何位置的图像强度值的不连续最小化到低于图像背景噪声值。
14.根据权利要求1的用于产生准确的高质量图像的方法，其中目标的几何轮廓使用结构光几何扫描仪得到，及LED用于在图像捕获扫描期间为第一和第二照相机照亮目标物体。
15.根据权利要求1的用于产生准确的高质量图像的方法，其中来自至少一另外的照相机的另外的正射图像数据与目标物体上一坐标位置的第一照相机正射图像数据和第二照相机正射数据比较，目标物体上特定坐标位置的正射图像数据的值基于预选判据进行选择，从而使用第一、第二和另外的正射数据用于组合增强图像。
16.根据权利要求2的用于产生准确的高质量图像的方法，其中：
a)控制和测量扫描期间目标物体的移动以在扫描期间保持已知的图像纵横比并避免增强图像畸变；
b)在扫描期间使用来自z轴位置编码器的电子信号以指示相对于扫描区域的参考位置的目标物体位置；
c)所述扫描由位置编码器以目标物体移过扫描区域的已知增量间隔触发；
d)选择用作增强图像数据的像素强度值为来自第一正射数据和来自第二正射数据的两个相应正射像素数据值中的较低值，从而选择来自目标物体的较低的镜面反射。
17.根据权利要求2的用于产生准确的高质量图像的方法，其中：
a)目标物体的有关部分的几何位置通过结构光几何扫描获得，使能将第一原始数据像素映射到对应的第二原始数据像素；
b)针对目标物体的扫描移动，从结构光几何扫描照明器和原始图像数据照明器交替激发，其中从结构光几何扫描照明器激发是为了获得目标物体位置数据，其中相应照明器的闪光之间的时间足够短，使得为补偿目标物体在激发之间的扫描移动而计算的坐标位置调节在计算限度内，从而使所得的结构光几何扫描数据和对应的原始图像数据与像素分辨率相互关联。
18.根据权利要求2、16或17的用于产生准确的高质量图像的方法，其中通过组合表面的连续多个线性扫描而产生二维增强图像。
19.根据权利要求2、16或17的用于产生准确的高质量图像的方法，其中
a)i)用源自照明和跨扫描线的第一照相机响应的差异测量的第一组整平系数将第一原始图像数据处理为扫描区域中的均匀漫反射目标从而自目标物体得到第一平整图像数据，及
ii)用源自照明和跨扫描线的第二照相机响应的差异测量的第二组整平系数将第二原始图像数据处理为扫描区域中的均匀漫反射目标从而自目标物体得到第二平整图像数据；
用多个同样的相邻扫描头执行i)和ii)以实现标准水平的图像整平，每一扫描头使用照明器、第一照相机和第二照相机、及权利要求1的处理方法；及
b)通过前述处理获得的、相邻扫描头下面的目标上的相邻区域的多个平整图像连接以形成目标的整体图像，其中目标物体上相邻区域的多个图像沿几何学上精确的像素拼接线连接在一起，以使目标物体特征的不连续最小化，及使目标物体上相邻几何位置的图像强度值的不连续最小化到低于图像背景噪声值。
20.根据权利要求2、16或17的用于产生准确的高质量图像的方法，其中目标的几何轮廓使用来自激光器的编码光得到，及LED用于在图像捕获扫描期间为第一和第二照相机照亮目标物体。
21.用于产生准确的高质量图像的装置，包括：
a)至少两个照相机，设置成用第一照相机跨扫描区域中的扫描线获得目标物体的一部分的第一原始扫描，同时用第二照相机跨扫描区域中的扫描线获得目标物体的同一部分的第二原始扫描，第二照相机在照相机区域中与第一照相机分开使得第一和第二照相机对目标物体的同一部分具有实质上不同的视角；
b)模数转换器，用于将第一原始扫描从模拟格式转换为数字格式从而得到第一原始图像数据及将第二原始扫描从模拟格式转换为数字格式从而得到第二原始图像数据；
c)平整图像处理模块，其用第一组整平系数处理第一原始图像数据从而自目标物体得到第一平整图像数据，及用第二组整平系数处理第二原始图像数据从而自目标物体得到第二平整图像数据，所述第一组整平系数和所述第二组整平系数均源自整平方法，在所述整平方法中：具有已知、实质上一致的漫反射性质的样本目标在已知距离处进行成像，其中所述样本目标由系统中将要使用的每一相应照明源和照相机照射；及确定成像系统中的每一像素的整平系数，使得每一像素的整平系数在乘以其对应的原始图像像素幅值时将导致标称平整像素幅值，其中所述标称平整像素幅值可根据所述样本目标的已知反射性质进行线性校正；
d)网格化图像处理模块，其用第一组计算结果补偿第一平整图像数据中的视差从而得到第一正射图像数据及用第二组计算结果补偿第二平整图像数据中的视差从而得到第二正射图像数据；
e)选择性组合图像处理模块，其比较对应于目标物体上的坐标位置的第一正射图像数据和对应于目标物体上所述坐标位置的第二正射图像数据并从下面选择像素强度值以用作表示目标物体上所述坐标位置的增强图像数据：
i)对应于所述坐标位置的第一正射图像数据；
ii)对应于所述坐标位置的第二正射图像数据；
iii)对应于所述坐标位置的第一和第二正射图像数据的组合结果。
22.根据权利要求21的装置，还包括计算机，设置成获得跨目标物体的连续扫描线和表示目标物体上的相应坐标位置的增强图像数据序列，并从所述增强图像数据序列组合目标物体的增强图像。
23.根据权利要求21的装置，还包括位置编码器，设置成在扫描期间跟踪目标物体的移动以在扫描期间保持已知的图像纵横比并避免增强图像畸变。
24.根据权利要求23的装置，其中位置编码器在扫描期间输出电子信号以指示相对于扫描区域的参考位置的、沿z轴的目标物体位置。
25.根据权利要求23的装置，其中所述位置编码器以目标物体移过扫描区域的已知增量间隔触发扫描。
26.根据权利要求21的装置，其中选择性组合图像处理模块选择来自第一正射数据和来自第二正射数据的两个相应正射像素数据值中的较低值用作增强图像数据，从而选择来自目标物体的较低的镜面反射。
27.根据权利要求21的装置，还包括结构光几何扫描仪，用于获得目标物体的有关部分的几何位置，并使能将第一原始数据像素映射到对应的第二原始数据像素。
28.根据权利要求21的装置，其中未编码激光照明器连同单色照相机一起使用以获得至少一组单色原始图像数据。
29.根据权利要求21的装置，其中LED照明器连同彩色照相机一起使用以获得至少一组原始图像数据。
30.根据权利要求21的装置，其中针对目标物体的扫描移动，用于获得目标物体位置数据的结构光几何扫描仪设置成与原始图像数据照明器交替激发，其中相应照明器的闪光之间的时间足够短，使得为补偿目标物体在激发之间的扫描移动而计算的坐标位置调节在计算限度内，从而使所得的编码激光器几何数据和对应的原始图像数据与像素分辨率相互关联。
31.根据权利要求21的装置，还包括通过组合表面的连续多个线性扫描而产生二维增强图像的计算机。
32.根据权利要求21的装置，还包括计算机，其：
a)用源自照明和跨扫描线的第一照相机响应的差异测量的第一组整平系数将第一原始图像数据处理为扫描区域中的均匀漫反射目标从而自目标物体得到第一平整图像数据，及
b)用源自照明和跨扫描线的第二照相机响应的差异测量的第二组整平系数将第二原始图像数据处理为扫描区域中的均匀漫反射目标从而自目标物体得到第二平整图像数据；
其中执行a)和b)实现标准水平的图像整平，及协调多个同样的相邻扫描头，每一扫描头使用权利要求21的装置；通过前述处理获得的、相邻扫描头下面的目标上的相邻区域的多个平整图像连接以形成目标的整体图像，在来自相应的相邻扫描头的多个平整图像之间没有图像准确度的不连续。
33.根据权利要求21的装置，其中计算机沿像素拼接线连接目标物体上相邻区域的多个图像，以使目标物体特征的不连续和目标物体上相邻几何位置的图像强度值的不连续低于背景噪声值。
34.根据权利要求21的装置，其中结构光几何扫描仪获得目标物体的几何轮廓，及LED照明器用于在图像捕获扫描期间为第一和第二照相机照亮目标物体。
35.根据权利要求21的装置，其中计算机设置成比较来自至少一另外的照相机的另外的正射图像数据和目标物体上一坐标位置的第一照相机正射图像数据及第二照相机正射数据，及该计算机基于预选判据选择目标物体上特定坐标位置的正射图像数据的值，从而使用第一、第二和另外的正射数据用于组合增强图像。
36.根据权利要求22的装置，还包括位置编码器，设置成在扫描期间跟踪目标物体的移动以在扫描期间保持已知的图像纵横比并避免增强图像畸变；其中位置编码器在扫描期间输出电子信号以指示相对于扫描区域的参考位置的、沿z轴的目标物体位置；及所述位置编码器以目标物体移过扫描区域的已知增量间隔触发扫描。
37.根据权利要求21的装置，还包括：
a)结构光几何扫描仪，用于获得目标物体的有关部分的几何位置，并使能将第一原始数据像素映射到对应的第二原始数据像素；
b)针对目标物体的扫描移动，结构光几何扫描仪照明器设置成与原始图像数据照明器交替激发，其中相应照明器的闪光之间的时间足够短，使得为补偿目标物体在激发之间的扫描移动而计算的坐标位置调节在计算限度内，从而使所得的编码激光器几何数据和对应的原始图像数据与像素分辨率相互关联。
38.根据权利要求22、36或37的装置，还包括通过组合表面的连续多个线性扫描而产生二维增强图像的计算机。
39.根据权利要求22、36或37的装置，还包括多个同样的相邻扫描头，每一扫描头使用根据权利要求21所述的装置，及还包括计算机，其：
a)用源自照明和跨扫描线的第一照相机响应的差异测量的第一组整平系数将第一原始图像数据处理为扫描区域中的均匀漫反射目标从而自目标物体得到第一平整图像数据，及
b)用源自照明和跨扫描线的第二照相机响应的差异测量的第二组整平系数将第二原始图像数据处理为扫描区域中的均匀漫反射目标从而自目标物体得到第二平整图像数据；
其中，执行a)和b)实现标准水平的图像整平，及协调多个同样的相邻扫描头，每一扫描头使用权利要求21的装置；通过前述处理获得的、相邻扫描头下面的目标上的相邻区域的多个平整图像连接以形成目标的整体图像，在来自相应的相邻扫描头的多个平整图像之间没有图像准确度的不连续；及沿几何学上精确的像素拼接线连接目标物体上相邻区域的多个图像，以使目标物体特征的不连续和目标物体上相邻几何位置的图像强度值的不连续低于背景噪声值。
40.根据权利要求22、36或37的装置，其中激光器提供编码光以获得目标物体的几何轮廓，及LED照明器用于在图像捕获扫描期间为第一和第二照相机照亮目标物体。
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