CN103366147A - 用于测量结构和对象大小的光电设备和校准方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于测量结构和对象大小的光电设备和校准方法。一种用于测量结构或对象大小的光电设备（10），具有用于将接收光转换成图像数据的光接收元件（20），在光接收元件（20）上游设置的接收光学器件（16、18）以及估值单元（22），其被构建为用于识别图像数据中的结构或对象，该结构或对象以图像点为单位确定，并借助比例因子将尺寸转换为绝对的、特别是公制的长度单位，其中可在校准过程中确定比例因子。估值单元（22）被构建为，找出图像数据中的编码区域并从其读取编码信息，以及在校准期间通过校准码（100）的尺寸来计算比例因子，校准码（100）的编码信息包括以绝对的长度单位为单位的、校准编码（100）的大小说明。

Description

用于测量结构和对象大小的光电设备和校准方法

本发明涉及如权利要求1或13所述的用于测量结构和对象大小的光电设备和校准方法。

为了对象的光学测量必须校准拍摄或相机系统。因此，应以图像点为单位来确定任何测量平面、对象或线段的尺寸，并因此能够以该校准为基础转换到比如毫米的物理单位。因为通常希望得到高的测量精度，校准也应尽可能的精确。

该转换仅当检测拍摄系统能够为物理单位正确分配任意数量的图像点时是可能的。此外必须具有通过校准获得并被提供给拍摄系统的、关于真实测量环境的额外信息。

关于拍摄系统的光学系统的模型通常被使用。这样的模型必然包括简化并还可能积累失效容差（Fehlertoleranz），从而使得该模型在大多情况下不足以准确地反映现实。

通常使用如棋盘图案的特定的图案用于校准。这些图案必须被准确分割，因为如果，例如没有准确的发现角点，因为没有任何关于图案拍摄准确性的反馈，已经成功的校准的程度是不清楚的。此外拍摄系统必须具有关于图案元素的实际大小的附加信息。

还已知的是，在图像中容纳如方点（Streichholz）或比例尺的标准。这通常是仅作为人类观察者的视觉参考，但不能用于校准以进行自动转换。即使应使用这样的比例尺来校准，但必须以其它的方式告知拍摄系统，比例尺具有哪种绝对尺寸，以及方点有多大或者在两个比例尺刻度之间具有多大的公制距离。

用于测量任务的摄像头的其他应用是读码。这种基于摄像头的读码器越来越多地代替了仍然被广泛应用的条形码扫描器。借助于图像传感器，拍摄对象和位于其上编码，确定图像中的编码区域并将其解码。除了一维的条形码之外，基于摄像头的读码器还可以毫无问题地处理其他的编码类型，这些编码类型例如构建为二维矩阵码并可提供更多的信息。

由DE 10 2005 003 254 B4已知的是，用于保护（Absicherung）机器的光电传感器以如下方式被参数化，即拍摄具有参数信息的光学码。然而该传感器不用于进行测量，并且所述参数信息不包含任何关于物理长度的参考。

在US 2008/0143838 A1中，根据读取校准编码实现用于手动操作的编码读取器。同样，该编码读取器不适于测量应用，以及校准编码不包含任何关于物理尺寸的信息。

因此，本发明的目的是改善光学测量系统的校准。

该目的是通过根据权利要求1或13的用于测量结构或对象大小的光电设备以及用于校准的方法来实现的。其中解决方案的根本思想的出发点在于，将关于其绝对尺寸的重要信息直接提供到校准目标中。因此将光学编码应用作为校准目标，其同时被构建为读码器以进行测量的设备读取和解码。因此，一方面，来自所拍摄的图像数据的校准码的尺寸以图像点为单位，以及另一方面通过读取在校准码中自身编码的大小说明来比较校准码的绝对尺寸。因此可计算相应的比例因子，其给出了如一毫米的长度单位对应的图像点的数量。借助于该比例因子可最终获得以图像点为单位拍摄的任意结构元素的尺寸，并将其转换为物理的，例如公制的长度单位。特定的要测量的结构是编码本身或其模块尺寸，在某些应用中希望知道以绝对单位为单位的尺寸。

在校准编码中所包含的大小说明是指例如其宽度、高度、对角线、或单个模块宽度的任何尺寸。哪些尺寸被编码，将预先告知设备，或将该信息包含在校准码中。其尺寸是为校准而应用的、以图像点为单位被确定的结构，因此应该与编码的大小说明相对应，或将其适当地转换。

本发明具有的优点是，显著地简化了校准，同时也特别的准确。其中将避免由校准不足所导致的尺寸的不准确（如在校准时借助光学模型而遇到的不准确）。由于校准编码本身包含其自己的大小说明，并且该信息在读码时被没有损失地传输，可以被告知没有由于校准目标的错误信息或错误测量所导致的不正确的比例因子。

估值单元优选地构建为，在读取校准编码时检查标识符，根据这些标识符可识别这些校准码。由此可确保，仅仅是校准码而不是随机的大小信息被用于校准。在优选的实施方案中甚至有可能的是，借助可根据标识符识别的校准码来触发校准。只要被相应地设置为自动校准的设备还识别对于该设备有效的校准码，则比例因子将被检查或被重新计算。

估值单元优选地构建为，在校准过程中，校准码的尺寸被从角到角地确定。相应地，包括在校准码中的大小说明参照该尺寸，否则将被相应地转换。参考角是特别有利的，因为其中最可能的结构被利用，并由此比例因子的校准或确定是特别精确的。

因此，估值单元优选地构建为，用于确定比例因子，以无误差地读取校准码。如果连续图像对于多次读取是足够快的，则无差错读取被选择，但也可通过读取校准码来反复校准。无误差在这里指的不仅是可能拍摄所有的编码信息（这在任何情况下是先决条件），而且可以是没有错误地扫描校准码。因此这时无误差地拍摄以图像点为单位的尺寸，例如定义校准码的宽度和高度的角点。作为无误差读取的标准可以参考的是，是否有例如李德-所罗门编码矫正（Reed-Solomon-Korrektur）的误差校正被用来确定所需的编码内容。以这种方式，读码给予了关于校准是否成功以及比例因子是否被准确确定的暗示性的反馈。因为如果没有必需的错误校正，必须进行图像分割和确定编码区域，由此精确确定角的位置。相反，如果在这些预处理步骤中，扫描光栅没有被最佳地放置，并因此会消耗纠错位。不需要纠错的干净的解码过程给出了关于分段的角点的准确度的信息，因此将比例因子和校准作为整体。

因此，估值单元被优选地构建为，从校准码中读取绝对的几何形状的信息，并确定将图像数据中的校准码的相对的几何形状转换为绝对的几何形状的转换规则。由于透视失真，通常不拍摄校准码，以使得二维的图像数据中可以识别出其实际的几何形状。例如，矩形的校准码失真成梯形。绝对的几何形状，即矩形的形状，连同尺寸，以及同样地，从校准编码获得的部分信息是预先已知的。因此可能确定校准码的相对的几何形状的转换，例如，将梯形转换到其真实的或绝对的几何形状（例如矩形）。之后，可提供转换，以校正透视畸变，以使校准过程不依靠于读码器的定向。由此，因为变形被消除，可提高随后的测量的准确度，并且可测量任意空间角度。

因此，估值单元优选地被构建用来识别误差校准，其中编码的转换规则在图像数据中被应用，并检查通过该形式转换的编码是否具有预期的绝对的几何形状。在校准过程后，可以有意或无意地改变相机的取向。随后，在校准过程中确定的转换规则不再适合。公知的是，在编码上应用所述转换规则不会实现其预期的几何形状，例如矩形。

因此，估值单元被优选地构建为，将转换规则应用于图像数据的局部区域，以产生透视纠正的图像。其用于可视化和检查解码和测量结果，还可以因此支持出现在图像中的附加信息，例如标题、被解码的编码信息或被测量的长度。作为格式，可以使用结构化的覆盖格式（比如XML）。这可以不仅以明确定义的方式显示，而且还保留整体的图像信息，而不是通过附加信息重写像素。

设备优选地被构建为基于相机的读码器，其光接收元件是矩阵或线状的图像传感器。该基于相机的读码器能够拍摄多个不同的编码，并同时可用于光学测量。

因此，估值单元优选地构建为，通过平均化或差值来确定具有比图像传感器的像素分辨率更高分辨率的图像点。通过这样的子像素的分辨率，可实现测量精度高于图像传感器的物理分辨能力。

因此，估值单元优选地构建为，用于解码一维码和二维码，特别是由条形、矩形或方形的模块单元组成的编码。一维码是典型的条形码。一些关于二维码的非穷举的例子为数据矩阵（DataMatrix）、QR码，Aztec码，PDF417和牛眼码（MaxiCode）。

优选的设有距离测量单元，特别是根据光传送时间确定的原则，以确定到要读出的编码或到要拍摄的对象的距离。该类型的距离测量通常用于自动对焦设置。其中，校准码和要测量结构同时但不是仅包含在二维图像数据中，而是读取距离可额外地作为第三维度来确定。

优选地设有存储器，以便连同比例因子一起存储校准-读取距离，其中校准码在校准过程中被拍摄到，并且其中估值单元被构建为，借助于所述校准-读取距离，根据在拍摄期间的真实的距离来调整所拍摄的结构或对象的尺寸。比例因子首先仅适合于读取距离或在拍摄校准编码期间的焦点设置。在校准期间，借助于所存储的读取距离，以及在测量时的实际读取距离可以相应地重新校准，以使在改变了读取距离时消除了读取距离的限制或引入的测量误差。

根据本发明的方法能够以类似的方式被改进，并示出了类似的优点。这种有利的特征示例性地而非限制性地在独立权利要求的从属权利要求中有所描述。

下面将参照实施方案和参考附图来进一步解释本发明的其它特征和优点。图中示出了：

图1示出了一个相机的示意性剖视图；

图2是二维码和其编码内容的示意图，用于说明以绝对的长度单位为单位的测量的校准方法；

图3示意性地示出了对透视失真的纠正；

图4示意性地示出了对象的要测量距离的两个点上的转换准则的应用；

图5示意性地说明了照相机自动在工作期间识别是否需要新的校准的实施方案；以及

图6示例性地示出了对象和其中确定的公制尺寸。

图1示出了相机10的示意性剖视图。该相机一方面是用于测量结构，并且同时也是基于相机的读码器，因为其能够拍摄编码并读出其内容。本发明描述了相机的例子。但原理也可以设想为，图像数据是通过其它的光学原理（例如通过使用读取光束来扫描）得到的。

相机10拍摄接收区域12，在该接收区域12中具有要读取的编码14或任何其它的对象。来自接收区域12的光将通过接收透镜16接收，其中仅使用被示出的透镜18来代表接收光学器件。具有多个呈线形或矩阵排布的像素元件的图像传感器20（例如CCD或CMOS芯片）产生了接收区域12的图像数据，并进一步将其提供给作为整体由参考标记22表示的估值单元。为了更好地拍摄接收区域12中的编码14或其它对象，照相机10可配备有未示出的有源照明。

估值单元22被实现在一个或多个数字组件上，例如，微处理器、ASIC、FPGA或类似物，其也可全部或部分地设置于相机10的外部。所示的不是估值单元22（即预处理单元24、解码单元26、校准单元28和测量单元30）的物理模块，而是其功能性模块。

在预处理单元24中，图像数据首先被过滤、平滑化、亮度归一化、定制特定区域或二值化。此外，感兴趣的结构将被识别和分割，例如单独的对象、线或编码区域。

解码单元26是用于对该指定的编码区域解码，还读取包含在编码中的信息。

校准单元28用于将相机10校准到绝对的物理长度单位上。该校准是基于借助于解码单元26对特定的校准码的读取，并在下面参照图2进一步准确说明。

测量单元30中可测量例如对象、线或编码的结构。尺寸首先要以图像点为单位确定。通过各种插值、平均化或滤波方法，其经常可实现子像素的分辨率，其中图像点提供更精细的分辨率作为图像传感器20的物理分辨率。借助于预先在校准单元28中确定的比例因子以及提供的图像点到物理单位的转换，尺寸将被转换到绝对的、例如公制的单位系统。

数据可以在相机10的输出端32被输出，即例如以绝对的单位读取的编码信息或确定的尺寸的估值结果，以及不同的处理阶段的数据，例如初始图像数据、经预处理的图像数据、以图像点为单位的尺寸、被识别的对象、还未解码的图像数据或比例因子本身。

现在参照图2来说明校准。图2示出了校准码100，其中此处纯粹是作为数据矩阵编码的示例。同样地，任何其它的编码类型也可被处理，只要解码单元26能够读取的该编码。这样的编码经常由条形或矩形或正方形的模块单元组成。为了获得更鲁棒的编码读取，以及包含关于校准质量的反馈，优选地使用具有纠错机制的编码作为校准码。

校准码100应是相机10通过其编码内容传达出的关于物理世界的必要的知识，以及图像点的大小和绝对长度单位之间的关系（以及比例因子）。因此，校准码100包含作为编码信息的关于其自身的大小说明，此处为公制单位。编码信息还使校准码100成为那些可识别的编码是同样有利的。

如在图2中的右侧可以看出，示例性地示出的、根据通过解码单元26读取的校准码100的内容是“校准码3厘米”。由此，照相机10得知，存在校准码并且该校准码100以绝对长度为单位是3cm大。此处仍隐含的协议是，大小说明表示了宽度。其还可以表示关于编码内容的额外信息，例如通过编码内容“校准码，宽度：3厘米”。宽度仅是关于大小说明的示例，以及可应用高度、对角线、编码模块的物理尺寸，以及校准码100的任何其它可识别的尺寸。

然而其优点为，如果通过尽可能大的校准码100结构实现校准，则比例因子是特别精确的。确保优选的宽度、高度或对角线。而且预处理单元24和解码单元26能够对编码的角点进行非常准确地识别，否则校准码100通常不能被读取。为了绝对保证校准码100的角点被很好地确定，将提高具有额外确定用于校准的角点的校准码100的拍摄，其中不必应用校正位，例如根据李德-所罗门校正的校正位。这种校准码100被没有误差地扫描和读取，以使角点的位置可靠并因此使得其距离是可靠的。

根据这些角点，测量单元30以图像点为单位确定所拍摄的校准码的宽度。其中在这方面，图2的任意的示例中的结果是413个图像点。因此，校准单元28现在已知的是，413个图像点对应于3厘米。这两个值的比例是用于将图像点转换到公制长度单位的所需的比例因子。

在一个具体的、示例性的优选的实施方案中，校准方法执行如下。首先，在自动设置模式下，在图像设置和对焦调整后将校准码100解码，并借助其标识符来识别该校准码。然后相机10被切换到校准模式。

然后以图像点为单位计算校准码100的编码模块的尺寸，由此可将总高度和总宽度在该宽度和高度方向上划分由码型（借助该码型可成功地解码）已知的码模块编号n×m。结果可以包含图像传感器20的物理像素的一部分，还具有子像素分辨率。计算可以重复用于被不同地识别的码模块，并平均化。

在本实施方式中，校准码100具有与图2中的例子不同的、关于一个编码模块（而不是关于总宽度）的大小说明。否则，其也可以按照以上解释的被转换。关于码模块的大小的信息，不论是以图像点为单位，还是以毫米为单位都能够计算比例因子，该比例因子给出了一个图像点对应多少毫米或相反。

所述比例因子，其同时也被描述为校准常数，优选地被存储供以后使用。因此，测量单元30可能在校准和自动设定完成后，在随后的操作期间使用所述比例因子，通过简单地乘以要测量的结构的以图像点为单位的尺寸的方式，来转换成绝对尺寸。

比例因子最初只适用于通过其确定了所述比例因子的读取距离。读取距离通常根据从属的对焦设置来确定。通过了解校准码100的编码内容的句法（Syntax），还可能非常容易地在测量应用中实现根据不同位置产生合适的校准码100。因此为不同的读取距离产生了非常大的灵活性。

还可以设想的是，照相机10提供距离测量，例如根据光传送时间的原理的距离测量。所述光传送时间的原理在相机10中经常用于自动对焦单元。然后可以存储初始的读取距离，在所述初始的读取距离下根据校准码100确定比例因子。根据初始的读取距离和真实的读取距离，可由此在测量期间进行对测量单位30的重新校准。由于这重新校准的设想成立，其并不是如通过合适的校准码100的特定的重新校准一样完全准确，但至少在一定程度上允许可调节的读取距离或测量距离。

先前描述的测量在相机10有较小倾斜（歪斜）的情况下工作，也就是说，在相机10的光学轴线以高精度充分垂直对齐于要读取的编码14或要被测量的对象的情况下工作。相机10的定向并不总是能被保证的，甚至相反的是，例如在光滑表面的情况下，甚至希望有一些偏差，以使得没有太多的光被反射进入照相机10。因此可能会导致透视畸变，这会影响测量的准确度。

图3在左侧部分示出校准码100，该校准码100是在透视畸变的情况下被拍摄的。因此，校准码100的包络线102，不再是正方形或矩形，而是梯形。这是因为由相机10拍摄的图像内的测量位置的无关性丢失，测量将因此而变得不准确。因此，在一个实施方案中提出要纠正该透视失真。

这将根据矩形校准码100的示例被描述。而其它的几何形状也是可设想的。基于在解码单元26中的读码，非常准确地已知校准码100的四个角点的位置。由其它方面已知的是，校准码100实际具有何种几何形状。这方面的知识可以被预先给定，因为例如已知的是，编码必须是具有确定的高度与宽度比（纵横比）的矩形。可选的是，能够获得关于编码内容例如“校准码：矩形，宽3厘米，高4厘米”的编码内容的几何形状信息。

因此，可能的是，例如通过成像矩阵M来计算转换，其将变形的校准码100的角点转换为已知尺寸的矩形的实际几何形状。该转换是通过指向图3的右侧部分的箭头表示，其中无失真的矩形的校准码100在转换后被示出。

对于转换而言，原则上任何标准化坐标系统可被设想为目标坐标系统。优选为使用具有适合于测量功能的例如1/10毫米或1/100毫米的公制单位的、正交的公制坐标系统。成像矩阵M是透视转换，其可以包含旋转、移位和重新校准。借助于校准码100的角点或其它突出点确定的成像矩阵的任何其它图像点可随后最终被转换到公制坐标系统中。

图4示意性地示出了对象104的要测量距离的两个点上的转换准则的应用。其中该转换在确定变形的欧氏距离之前被校正。如所示出的，该转换并不是必须要实现为与被测量的距离要垂直取向。在任何情况下，经过转换后的两个点之间的距离提供了经过失真校正的公制长度值。

曾经在校准过程中确定的转换规则仅在例如相机10对着要读取的编码14及要测量的对象保持其角度一样时保持其有效性。参考图5，现在将说明一实施方案，其中照相机10自动在工作期间识别是否需要新的校准。如果是这样的情况，例如可以作出相应的显示或设定电路输出。

另外可假设的是，相机10不仅用于测量对象，而且至少反复读取编码14。根据码型，编码14的绝对的几何形状是已知的，例如矩形形状。

图5在其左边部分显示了具有梯形包络线102的示例性变形的被拍摄的编码14。从校准可得知将该编码14纠正至矩形编码的转换规则。由于相机10的位置或定向的改变或由于变化的光学系统导致这种转换，但在图5中示出的状态不再是矩形，而是图5的右边部分中示例性示出的梯形包围。由此，相机10可关闭，则所存储的校准不再有效。

在实践中，矩形形状被检查，经过转换后的编码区域14的角点处的角是否至少在已知的容差90°内。容差阈值可以被选择以适合于测量任务的要求。大的偏差被检测到，以使相机10给出相应的错误消息或提示，该错误消息或提示代表了对校准码100要重新校准。

照相机10还可以进一步给出测量结果，并且额外提供的是，准确性可受到有错误的校准的影响。还可以尝试的是，系统自动根据最后拍摄的编码14的几何形状的偏差在矩形被转换之后进行重新校准。其中在任何情况下，关于形状的最合理的假设不是基于该编码14的未知的绝对大小，以使重新校准处于欠定（unterbestimmt）状态，以及其中与通过校准码100的重新校准相比是不准确的。

将校准码100转变到无失真的校准码100的转换规则可以应用到任何图像区域。以使可例如产生角度均衡（perspektivisch entzerrt）的灰度值图像。另外，像素可通过插值技术转换到子像素，例如10×10的子像素分辨率。这对于通过转换减轻锯齿效应是有用的。因此产生高分辨率的公制测量图或其部分截面。在这种测量图中，也可出现用于测量特定结构的测量点、被读取的编码信息和其它的信息。图6示例性地示出了该对象14和其中确定的公制尺寸。这种测量图像有利于快速看到以拍摄和检查测量状况。图像优选地作为叠加数据给出，例如XML数据，其中图像数据和附加信息表示不同的结构信息。因此，附加信息以单义的，通常可读的形式耦合到图像数据，并同时完整地保持初始的图像信息。

Claims (13)

1.一种用于测量结构或对象大小的光电设备（10），所述光电设备（10）具有用于将接收光转换成图像数据的光接收元件（20）、估值单元（22）以及在所述光接收元件（20）上游设置的接收光学器件（16、18），所述光电设备（10）被构建为用于识别图像数据中的结构或对象，所述结构或对象的尺寸以图像点为单位来确定，并借助比例因子将所述尺寸转换为绝对的长度单位、特别是公制的长度单位，其中可在校准过程中确定所述比例因子，

其特征在于，

所述估值单元（22）被构建为用于找出所述图像数据中的编码区域，并从所述编码区域读取编码信息，以及在校准过程期间通过校准码（100）的尺寸来计算所述比例因子，所述校准码（100）的编码信息包括以所述绝对的长度单位为单位的、所述校准码（100）的大小说明。

2.如权利要求1所述的设备（10），

其中所述估值单元（22）被构建为用于在读取所述校准码（100）时检查标识符，借助所述标识符，所述校准码（100）可作为可识别的校准码（100）。

3.如权利要求1或2所述的设备，

其中所述估值单元（22）被构建为用于在所述校准过程期间从角到角地确定所述校准码（100）的尺寸。

4.如前述权利要求中任一项所述的设备（10），

其中所述估值单元（22）被构建为用于确定应用于无误差地读取所述校准码（100）的所述比例因子。

5.如前述权利要求中任一项所述的设备（10），

其中所述估值单元（22）被构建为用于从所述校准码（100）读取绝对的几何形状的信息，并确定将所述图像数据中的所述校准码（100）的相对的几何形状转变为绝对的几何形状的转换规则。

6.如权利要求5所述的设备（10），

其中所述估值单元（22）被构建为用于识别错误校准，其中将所述转换规则应用到所述图像数据中的编码，并检查该类型的被转换的编码是否具有所希望的绝对的几何形状。

7.如权利要求5或6所述的设备（10），

其中所述估值单元（22）被构建为用于在所述图像数据的部分区域上应用所述转换规则，以便产生角度均衡的图像。

8.如前述权利要求中任一项所述的设备（10），

其中所述设备（10）被构建为基于相机的读码器，所述读码器的光接收元件（20）是矩阵型图像传感器或线型图像传感器。

9.如权利要求8所述的设备（10），

其中所述估值单元（22）被构建为用于通过差值或平均化来确定具有比所述图像传感器（20）的像素分辨率更高分辨率的图像点。

10.如前述权利要求中任一项所述的设备（10），

其中所述估值单元（22）被构建为用于解码由一维码和二维码组成的编码，特别是用于解码由条形、矩形或方形的模块单元组成的编码。

11.如前述权利要求中任一项所述的设备（10），

其中设有距离测量单元，特别是根据光传送时间确定原则的距离测量单元，以便确定到被读取的编码或要被拍摄的对象的距离。

12.如权利要求11所述的设备（10），

其中设有存储器（22），以便与所述比例因子一起存储校准-读取距离，其中所述校准码（100）在所述校准过程中被拍摄，并且其中所述估值单元（22）被构建为，借助于所述校准-读取距离，根据所拍摄的结构或对象在拍摄期间的真实的距离来调整所述拍摄的结构或对象的尺寸。

13.一种用于校准光电设备（10）的方法，所述光电设备（10）用于测量结构或对象大小，由接收光产生图像数据，识别在所述图像数据中的结构或对象，确定所述结构或对象以图像点为单位的尺寸以及借助比例因子将所述尺寸转换为绝对的长度单位、特别是公制的长度单位，其中所述比例因子在所述校准期间被确定，

其特征在于，

校准码（100）被拍摄，所述校准码（100）的编码信息包括以所述绝对的长度单位为单位的、所述校准码（100）的大小说明，以使所述校准码（100）的尺寸一方面以图像点为单位被确定，而在另一方面通过解码所述大小说明被确定，以及由此计算出所述比例因子。

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