CN103791842B

CN103791842B - 用于测量物体的高度或高度分布的方法和光图案

Info

Publication number: CN103791842B
Application number: CN201310532623.9A
Authority: CN
Inventors: B·霍夫曼; I·逖希霍尔茨
Original assignee: Vitronic Dr Ing Stein Bildverarbeitungssysteme GmbH
Current assignee: Vitronic Dr Ing Stein Bildverarbeitungssysteme GmbH
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2033-10-30
Also published as: JP5496403B2; US20140118538A1; JP2014092547A; KR20140056100A; CN103791842A; KR101601367B1; US9325888B2; EP2728305A1; ES2593800T3; EP2728305B1

Abstract

本发明涉及用于测量物体高度或高度分布的方法，包括：借助光源朝横轴方向将相继编码像素形式的光图案投影到物体上，像素中的每个像素具有至少一个编码特征并且像素一起定义码字，由预定数目的相继像素的序列构成的像素组定义在码字内仅存在一次的个体部分码字，紧邻的像素组包括部分相同的像素，每个像素组被指派在横轴方向上关于参考平面的特定参考位置；借助布置成与光源偏置的图像传感器来捕捉光图案；确定像素组的横轴方向上的位置和借助所确定的像素组的位置与相应参考位置的比较来确定物体高度，像素是个体光点并且编码特征是光点在个体像素序列方向上位于横向于光图案延伸方向上的位置，光点沿光图案的延伸方向布置在多条线中。

Description

用于测量物体的高度或高度分布的方法和光图案

技术领域

本发明涉及一种用于测量物体的高度或高度分布（height profile）的方法，其中该方法包括以下步骤：借助光源朝横轴延伸方向将相继编码的像素形式的光图案（lightpattern）投影到该物体上，其中这些像素中的每一个像素具有至少一个编码特征并且这些像素一起定义码字，其中由预定数目的相继像素的序列构成的像素组各自定义在码字内仅存在一次的个体部分码字，其中紧邻的像素组包括部分相同的像素并且其中每个像素组被指派在横轴方向上关于参考平面的特定参考位置；借助图像传感器来捕捉光图案，该图像传感器被布置成与光源偏置；确定像素组的横轴方向上的位置并且借助像素组的所确定的位置与相应参考位置的比较来确定物体的高度。

此外，本发明涉及一种供在用于测量物体的高度或高度分布的方法中使用的光图案，其中该光图案在横轴延伸方向上具有相继编码的像素，这些像素各自具有至少一个编码特征并且一起定义码字，其中由预定数目的相继像素的序列构成的像素组各自定义个体部分码字，其中每个像素组被指派在横轴方向上关于参考平面的特定参考位置并且其中两个紧邻的像素组包括部分相同的像素。

背景技术

从WO 2004/083778 A1已知以上所描述的方法和以上所描述的光图案。该方法在那里被用于扫描物体的表面概况。从DE 10 2007 057 771 A1已知一种方法和设备，其主要被用于在包裹分类站中确定包裹的体积，其中这些包裹是在传送系统上运输的。该传送系统可包括一个或多个传送带或多个相继驱动的传送轮，要被测量的包裹在这些传送带或传送轮上传送。在此情形中，用于测量物体或包裹的高度或高度分布的设备被布置成是固定的并且可以例如包括跨传送带或传送轮的桥，该桥被布置成横向于传送方向并且在该桥上安装该设备的各个组件。该设备还包括线性图像传感器，该线性图像传感器被布置成横向于传送系统的传送方向。此外，提供至少一个光源，该至少一个光源与线性图像传感器共线并且被布置成与线性图像传感器横向偏置。光源跨传送系统的宽度和移动表面产生明确图案化的光序列。该光序列被反射并且被线性图像传感器记录。因此，该光序列最初被横向于传送方向地投影到传送带上。线性图像传感器从关于光源横向偏置的位置捕捉此光序列。包裹通过传送带移动通过该光序列。这里，由于线性图像传感器的偏置布置，因而在光序列的纵向延伸方向上（即，横向于传送方向）产生被包裹反射的光序列部分的偏置。此被包裹反射的光序列部分的偏置或位移与包裹的高度成比例，从而可以借助光序列的被移位部分的宽度、传送速度和偏置的大小来推导包裹的体积。

该光序列是由激光照明设备产生的空间明确的线条布置，该激光照明设备包括衍射透镜（DOE，衍射光学元件）。该空间明确的线条布置包括一行被照明的长线条和被照明的短线条。这些线条通过短空隙和长空隙彼此分开。因此，该线条布置可以与条形码作比较。该线条布置包含199个码字，其中一个码字由六个元素确定。元素是被照明的线条或者是（未被照明的）空隙。这些码字是相继顺序布置的。明确的图案是由78个码字确定的并且跨传送带的宽度重复三次。因此，在这三个明确的图案中的一个图案内，可确定和标识每个个体码字，其中还跨传送带的宽度知道码字的位置。因此，当码字偏置时，可以确定偏置的大小并且由此确定包裹的高度。

问题在于，不得不在被照明的长线条与短线条之间以及在（未被照明的）长空隙和短空隙之间进行区分。在分类具有不同表面（例如，明亮表面和黑暗表面）的包裹时，这可能在实践中导致问题。明亮表面要比黑暗表面更强地反射光图案，从而产生过多照射。过多照射的特征在于，被相应过多地照明的线条在被线性图像传感器捕捉的图像上看上去要比例如由黑暗表面反射的正常照明的线条更长。此外，当两个被过多照明的线条布置成彼此相邻时，空隙可能看上去较窄。这种现象可能导致错误地确定或者不能确定码字。

此外，图像传感器具有焦深，该焦深可能在锐度深度区域的边缘处导致焦点没对准。焦点没对准也会导致以下现象：被照明的线条要比实际上更宽地再现，并且相应地，两个焦点没对准地表示或再现的被照明的线条之间未被照明的空隙看上去更窄。

此外，在原则上，必须读取或确定完整的码字。在相继顺序布置并且分别由6个元素构成的码字中，必须读取大量个体元素。例如，当读取是在码字的第二元素处才开始时，必须读取第一码字的其余元素以及识别下一码字的全部元素直至完整的码字（在此情形中为第二码字）。

发明内容

本发明的目的是减小差错率。

这是通过用于测量物体的高度或高度分布的方法来达成的，其中该方法包括以下方法步骤：借助光源朝横轴延伸方向将相继编码的像素形式的光图案投影到该物体上，其中这些像素中的每一个像素具有至少一个编码特征并且这些像素一起定义码字，其中由预定数目的相继像素的序列构成的像素组各自定义在码字内仅存在一次的个体部分码字，其中紧邻的像素组包括部分相同的像素并且其中每个像素组被指派在横轴方向上关于参考平面的特定参考位置；借助图像传感器来捕捉光图案，该图像传感器被布置成与光源偏置；确定像素组的横轴方向上的位置并且借助像素组的所确定的位置与相应参考位置的比较来确定物体的高度，其中这些像素是个体光点并且其中编码特征是光点在个体像素序列的方向上位于横向于光图案的延伸的方向上的位置，其中这些光点沿光图案的延伸方向布置在多条线中，优选4条线中。

因此，整个光图案跨其全部延伸形成码字，其中任何相继的像素形成分别定义个体部分码字的像素组。在这种情形中，紧邻的像素组包括部分相同的像素。部分码字据此重叠并且不是相继顺序布置的。一个像素组可以例如由彼此紧邻布置的5个像素构成。这5个像素可以例如包括光图案的第一至第五位置处的像素。紧邻的像素组随后包括例如位置2到6上的5个像素。这意味着，在此示例中，为了确定部分码字，始终仅须读取该数目的定义该部分码字的像素，这是因为在光图案的每个任意位置处，可以读取随后产生部分码字的5个任意像素。仅当在以上提及的示例中像素组不是直接彼此紧随而是例如跨2个像素偏置布置（即，第二像素组包括第三到第七位置的像素）的情形中，才相应地必须读取更多的像素以便能够标识部分码字。

每个像素组被指派特定的参考位置。当该方法被用于确定传送带上的包裹的体积时，该参考位置确定相应的像素组在横向于传送方向的传送带上的位置。如果现在包裹移动通过光图案，则被包裹表面反射的像素组在由图像传感器捕捉的再现中朝传送方向横向移位，其中由于参考位置是已知的，因而可以借助位移的大小来推导包裹的高度。在这种情形中，传送带形成与空间参考位置有关的参考表面。

像素的编码特征可以是不同的。例如，编码特征可以是像素横向于光图案的延伸方向的位置，在确定包裹体积的情形中，这将是像素在传送方向上的位置。因此，像素可以在传送方向上的不同位置中相对于横向于传送方向的轴对齐。那么，优选地，像素是点。

然而，编码特征也可以是像素在与光图案的延伸横向的方向上的长度或者是像素的光波长。

优选地，如以上已提及的，像素是彼此相隔一定距离地布置的光点，这些光点因此不具有重叠并且全部具有相同的大小和形状。

在横向于光图案的延伸方向上（即，例如在传送带的传送方向上）的不同位置中的光点布置中，光点可以沿光图案的延伸方向布置在多条线中，优选4条线中。光图案还在光图案的延伸方向上形成彼此相邻布置且在传送方向上对齐的列。对于每一列，仅提供一个光点。

此外，本发明的目的是通过一种供在用于测量物体的高度或高度分布的方法中使用的光图案来达成，其中该光图案在横轴延伸方向上具有相继编码的像素，这些像素各自具有至少一个编码特征并且一起定义码字，其中由预定数目的相继像素的序列构成的像素组各自定义个体部分码字，其中每个像素组被指派在横轴方向上关于参考平面的特定参考位置并且其中两个紧邻的像素组包括部分相同的像素。这些像素是个体光点并且编码特征是光点在个体像素序列的方向上位于横向于光图案的延伸的方向上的位置，其中这些光点沿光图案的延伸方向布置在多条线中，优选4条线中。

附图说明

以下参照附图详细地描述本发明。

图1是根据本发明的设备在传送带的传送方向上的示意图；

图2是光图案的细节；以及

图3是根据本发明的设备的透视图。

具体实施方式

图1示意性地示出了用于包裹分类站中的传送带的测量设备。提供了传送带1，其在垂直于图像平面的传送方向T上移动。该图像平面在此情形中对应于设备的测量平面。传送带1具有表面10，包裹2被放到该表面10上。示例性地示出了具有矩形横截面的包裹2。取代传送带1，还可以提供用于传送包裹的其他元件，例如被驱动的传送轮。相机3形式的图像传感器被垂直地布置在传送带1上方并且大致位于传送带1的中心。相机3具有由虚线指示的视野范围4。相机3的视野范围被布置在与传送方向垂直对齐的测量平面上。

在与横轴X平行的方向上横向布置激光器5形式的光源，该横轴X横向于传送方向地与传送带1相交。激光器5在投影平面6中将光图案投影到传送带1的表面10上。投影平面6也由虚线指示。投影平面6被布置成与视野范围4共面。一般而言，也可提供除了激光器5以外的其他光源。术语“平面”包括在其中例如在传送方向上或者垂直于图像平面加宽视野范围4的解决方案。这对于投影平面6也是有效的。尤其在如以下进一步描述的那样光图案不仅在横轴X的方向上具有延伸而且在传送方向也具有延伸的情况下，可以发生激光射线的加宽并且由此发生投影平面6在传送方向T上的加宽。在此情形中必须注意以下事实：相机3的视野范围覆盖传送带1上的至少与光图案的投影部分一样大或者大于光图案的投影部分的部分。当传送带1上的视野范围在传送方向T上大于所投影的光图案时，达成以下优点：不必借助调整相机3和激光器5来实现视野范围4和投影平面6的精确共面的对齐，这是因为同样在围绕视野范围4的竖轴Z朝投影平面6的小角度布置处，光图案完全布置在视野范围4内。为此，相机3为矩阵相机是必需的。

此外，示意性地示出了传送带1上所投影的光图案是从个体像素11构造的，其中像素11在图1的示例中是二进制编码的。每个像素11因此导致二进制数0或1。所有像素11一起跨传送带1的宽度形成码字7。在此情形中，码字7是从具有4个像素11的部分码字形成的，该4个像素11形成像素组8。这里示例性地标出了定义二进制字0011的部分码字8。在码字7内能清楚地且个体地标识部分码字8。部分码字8在码字7内仅存在一次。沿横轴X的确切位置被指派部分码字8，其中横轴X是指由传送带1的表面10表示的参考平面。因此，如果码字8被检测到，则可以知道该码字8布置在参考平面上的哪个位置处。

如果包裹2现在移动通过投影平面6，则光图案的个体像素11被包裹2的表面9反射并且被相机3记录。由于激光器5被布置成与相机3横向偏置，因而在这种情形中，在由相机3获取的图像中部分码字8沿横轴X向右横向移位。即使部分码字8仅部分地布置在与包裹2垂直重叠的区域中，整个部分码字8也被包裹2的表面9反射。在这种情形中，在此发生两个像素11的横向移位。随后，借助常用的三角测量方法，可以借助部分码字8的位移大小来计算包裹2的表面9的高度。例如计算机形式的图像处理单元21执行此计算，该图像处理单元21经由数据线22连接至相机3并且在必要时还连接至激光器5。

图2示出了定义码字16的光图案12的优选实施例的细节。光图案12由光点形式的个体像素17构成，这些光点例如可以借助激光器和/或DOE（衍射光学元件）来形成。个体像素17被布置成在横轴X的方向上彼此相邻并且因此横向于传送方向T，即在4条线中。这些线是在与传送方向T平行对齐的纵向Y上一个接一个地布置的。像点17还被布置在跨横向X彼此相邻地布置的列中，其中在每一列中仅提供一个像素17。相应像素17在纵向Y上或这些线之一中的位置表示编码特征，借助该编码特征来编码每个个体像素17。因此，数字可被指派给每个像素10，其中对图2中所示的最下面的线中的所有像素17指派数字0，对布置在其上方的第二条线中的所有像素17指派数字1，对第三条线中的所有像素17指派数字2，并且对第四条线中的所有像素17指派数字3。因此，导致图2中在光图案12下面示出的码字16。码字16与彼此相邻布置的5个任意像素17一起形成像素组或部分码字。布置在最左边的第一部分码字13具有编码“11120”。进一步朝右移动一个像素，得到具有编码“11201”的第二部分码字14。紧随其后的另一第三部分码字15具有编码“12011”。在这种情形中，所有提及的像素组或部分码字13、14、15相互重叠，即具有部分相同的像素17。第一部分码字13因此与第二部分码字14具有四个共同的像素。在这种情形中，有利地，为了标识部分码字，仅须确定5个像素7就能够在码字16内清楚地指派该部分码字。

图3示出了用于测量物体的高度或高度分布的设备的示例。在功能上与根据图1的布置的组件相对应的组件被提供相同的附图标记，即使该布置不同于图1的布置。

该设备包括在其中布置相机3的外壳18。相机3具有在本图中透视地示出的视野范围4。这里，还可以看到，相机3的视野范围4不仅在横轴X的方向上加宽，而且在纵轴Y的方向上（即，与传送方向平行的方向上）也加宽（即使程度较小）。在外壳18内还布置有激光器5，该激光器5在投影平面6中投影光图案。必须注意，投影平面不应被认为是纯数学的，此投影平面也在横轴X的方向上以及纵轴Y的方向上被加宽且成扇形打开。然而，投影平面6在纵轴Y的方向上的加宽要小于视野范围4的加宽。如果相机3是矩阵相机并且传送方向上的光图案小于视野范围4，则可单纯地通过计算机来补偿误差调整，即光图案相对于相机3的视野范围4的角度布置。

激光器5最初大致垂直向下地将光图案投影到第一镜子19上，光图案从该第一镜子19朝横轴X的方向横向投影到第二镜子20上，第二镜子20随后向下将光图案反射到传送带上。在这种情形中，光图案从激光器5开始朝横轴X的方向连续地进一步加宽，其中在已从外壳18离开的情况下提供了经加宽的光图案。如果经由镜子19、20的偏转不是在外壳18内执行的，则激光器5必须显著更高地布置在传送带上方。因此，借助所示的布置，节省了相当大的结构空间。

附图标记列表

1 传送带

2 包裹

3 相机

4 视野范围

5 激光器

6 投影平面

7 码字

8 部分码字

9 表面

10 表面

11 像素

12 光图案

13 第一部分码字

14 第二部分码字

15 第三部分码字

16 码字

17 像素

18 外壳

19 第一镜子

20 第二镜子

21 图像处理单元

22 数据线

X 横轴

Y 纵轴

Z 竖轴

T 传送方向

Claims

1.一种用于测量物体(2)的高度或高度分布的方法，其中所述方法包括以下方法步骤：

借助光源(5)朝横轴(X)延伸方向将相继编码的像素(11，17)形式的光图案(12)投影到所述物体(2)上，

其中所述像素(11，17)中的每一个像素具有至少一个编码特征并且所述像素(11，17)一起定义码字(7，16)，

其中由预定数目的相继像素(11)的序列构成的像素组各自定义在所述码字(7，16)内仅存在一次的个体部分码字(8，13，14，15)，

其中紧邻的像素组包括部分相同的像素(11，17)，并且

其中每个像素组被指派在所述横轴(X)方向上关于参考平面的特定参考位置；

借助图像传感器(3)来捕捉所述光图案(12)，所述图像传感器(3)被布置成与所述光源(5)偏置；

确定所述像素组的所述横轴(X)方向上的位置并且

借助所述像素组的所确定的位置与相应参考位置的比较来确定所述物体(2)的高度，

其特征在于，

所述像素(11，17)是个体光点并且

所述编码特征是所述光点在个体像素(11，17)序列的方向上位于横向于所述光图案(12)的延伸的方向上的位置，其中所述光点沿所述光图案(12)的延伸方向布置在多条线中。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

两个相邻的像素组除了一个像素(11，17)以外包括相同的像素(11，17)。

3.如上述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，

每个像素组被指派关于参考表面(10)的一个特定空间参考位置。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述像素(11，17)被布置成彼此相隔一定距离。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述物体(2)朝传送方向(T)移动通过测量平面(4)。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述光源(5)将所述光图案(12)投影在所述测量平面中。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，

所述图像传感器(3)被布置在所述测量平面内。