CN104769389A - 用于确定物体的三维坐标的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定物体(2)的3D坐标的光学测量装置(1)，包括：投影仪装置(11)，用于使用至少一个预定的图案(10)照射物体(2)；至少一个PSA照相机(12、12’)，用于捕捉从物体(2)反射的图案(10)的2D图像(120)；计算装置，用于测量来自2D图像(120、120’)的至少一个2D图像点(121、121’)的亮度值序列(180、180’、180”)；以及计算与2D图像点(121、121’)的测量的亮度值序列(180、180’、180”)相关的物点(20)的3D坐标(21)，其特征在于，TOF相机(13)，用于捕捉物体(2)的至少一个范围图像(133)以消除在计算3D坐标中的模糊，范围图像(133)包括物体(2)的距离信息(133’)。本发明还涉及一种用于通过所述光学测量装置(1)确定物体(2)的3D坐标的方法，该方法包括结构光测量以及使用TOF相机(13)捕捉物体(2)的至少一个范围图像(133)，范围图像(133)包括物体(2)多个点的距离信息(133’)。

Description

用于确定物体的三维坐标的方法和装置
本发明涉及用于确定物体的三维坐标的方法和装置。
在多个技术领域中，存在大量需要精确地确定物体的三维(3D)坐标的应用；这些技术领域是，例如，机械工程、汽车、陶瓷、采矿、骨科、口腔修复以及珠宝。待测量的物体可以具有任意形状和尺寸。
确定物体的3D坐标的一个特别应用涉及土方工程操作，其中，运土机械(诸如，带铲斗的挖掘机或带刮铲的推土机)改变一个地点的地势。土方工程操作的进展由确定地点实际3D形状和运土机械的铲斗或刮铲的3D位置的光学测量装置勘测。基于重复地确定地点的3D形状表示以及铲斗或刮铲的3D位置表示，检测到该地点的取平后的3D形状表示的差异和偏差并且确定了土方工程操作的进展。
光学测量装置利用无接触传感器(诸如，结构光3D扫描仪)。在这种系统中，投影仪用来以预定的图案照射物体。照相机捕捉从该物体反射的该图案的二维(2D)图像。捕捉的图案相对于已知的参考图案失真。这种失真是由物体的3D形状表示引起的。每个物点的标识可以被空间编码(以单一图案)、时间编码(以图案序列)或以空间和时间两者的组合编码。物点的数目越大，带有独立码字的图像点的数目越大，因此该图案的结构越复杂。
通过以时变图案(诸如，以二进制编码或格雷编码的条纹图案)序列照射物体，捕捉到具有反射的条纹图案的黑和白亮度值的2D图像的时间序列。测量捕捉到的2D图像序列中的一个相同2D图像点的亮度值，允许将该2D图像点与从物点反射的单独条纹相关联。由于投影仪的条纹图案上的单独条纹和照相机的2D图像点被间隔开设备距离，并且由于投影的以及捕捉的条纹图案的投影仪设备的轴线围成一个照射角，知道设备距离和照射角使得能够对相关联的物点3D坐标进行三角测量。
在WO 2008/046663 A2中，公开了一种现有技术的结构光3D扫描仪，该结构光3D扫描仪具有位于一个公共壳体中的投影仪和两个光电传感器阵列(PSA)照相机。所述两个PSA照相机具有拥有数百万像素的电荷耦合器件(CCD)传感器。每个PSA照相机的2D图像捕捉到从物体反射的、分辨率为数百万个图像点的条纹图案。PSA照相机同时从不同的视点捕捉条纹图案。PSA照相机的光轴具有5°到20°的偏移角。PSA照相机以稳固的方式安装在所述壳体内，并且与所述壳体具有恒定的相互距离。根据极线约束，两个PSA照相机中的第一个的每个2D像点在两个PSA照相机中的第二个的已知极线上具有对应的2D图像点。在已知相互距离和已知偏移角的情况下，可以应用正弦定理针对两个PSA照相机的相应2D图像点的测定的亮度值序列来计算相关物点的3D坐标。
按照WO 2008/046663 A2中描述的解决方案，为了精确地确定物体的3D坐标，必须以5到10个条纹的图案的序列照射物体。对于具有典型的重复率30Hz的投影仪而言，物体的3D坐标的所得的测量时间在160ms和370ms的范围中，并且因此相当低。对于被嵌入到地点的物体的完全确定，来自不同视点的多个序列的组合是必要的。因此，对嵌入的物体的3D坐标的确定是更加费时的，并且另外针对来自不同视点的多个序列的组合需要提高的计算性能。然而，这个解决方案是非常昂贵的。
此外，环境光线的强度和性质可以影响捕捉的2D图像的置信水平。在工作条件下，在户外以及在任何气候条件下，环境光线可以诱发所捕捉的2D图像的模糊，环境光线改变了黑白亮度图案，并且使得正确地测量亮度值和计算相关物体的3D坐标变得困难。
此外，即使没有环境光线的影响，用2D图像也不能明确地分辨物体的特定形状。这种模糊随后可导致物体特征的位置或形状的错误解释。例如，在某些情况下，在没有捕捉另外的2D图像的情况下，不能发现球体的表面是否是正拱形或负拱形，或者斜线墙(diagonal wall)的表面哪一边距离更远。
因此，需要快速且低成本地确定物体的3D坐标。还需要即使是在土方工程操作的条件下同样可靠地确定物体的3D坐标。此外，需要无模糊地确定物体的3D坐标。
因此，本发明的目的是为了提供一种用于清晰地和可靠地确定物体3D坐标的方法和装置。
进一步的目的是为了提供这样一种用于在环境光线条件下和土方工程操作条件下使用的方法和设备。
本发明的另一个目的是为了提供这样一种允许较快速地确定物体的3D坐标且成本低的方法和装置。
这些目的中的至少一个通过根据权利要求1的用于确定物体3D坐标的方法、根据权利要求8的光学测量装置和/或本发明从属权利要求实现。
根据本发明，一种使用光电传感器阵列(PSA)照相机通过结构光来确定物体的3D坐标的装置另外包括范围照相机(range camera)，该范围照相机具有传感器阵列形式的范围图像(range image)传感器。这种范围照相机例如在WO 2010/136 507 A1中被公开。根据本发明的范围照相机适于指向物体，并且能够提供物体的范围图像，例如，通过飞行时间(TOF)测量。范围图像的范围像素对应于物体的物点的3D位置，并且可以用于创建物体的点云。词语“范围图像”在本发明的术语中通常意味着范围图像序列拍摄，但是也意味由流式范围照相机拍摄的范围图像流。
范围成像(RIM)通常被认为是一种用于产生显示从特定点到场景中的点的距离的2D图像的技术。所生成的图像通常被叫做范围图像，所述图像具有对应于物体上的各个物点的距离的像素值。例如，较亮的值意味着较短的距离或反之亦然。甚至可能正确地校正产生这种使得可以直接以诸如米的物理单位给出像素值的范围图像的传感器。针对范围图像的每个像素(范围像素)，分配了一个能够测量距离的单独传感器。由于分配到各个传感器的物点的距离是已知的，物点的3D位置可以被精确地确定。因此，通过使用范围成像技术，可以标识物体的每个测量点，并且甚至确定每个测量点的3D数据。然而，用这种方式确定的3D位置可能不足够精确，因为相比于SPA照相机，范围图像的像素量相当少，信息仍然足够用来确定范围图像中的待测量物体的形状。
采用物体的范围图像，使得减少或消除在对于物体形状的结构光测量中的模糊是可能的。
根据本发明，一种用于通过光学测量设备确定物体3D坐标的方法包括结构光测量，其中：
●以预定图案或预定图案序列照射物体；
●捕捉从物体反射的图案的2D图像或2D图像序列；
●从所述2D图像测量至少一个2D图像点的亮度值；以及
●计算与所述2D图像点的测得的亮度值序列相关联的物点的3D坐标。
根据本发明，该方法还包括用范围照相机捕捉所述物体的至少一个范围图像，所述范围图像包括物体的多个点的距离信息。根据本发明，随后在3D坐标的计算中考虑该范围图像。具体地，该范围照相机根据飞行时间原理工作。
根据本发明，彩色图案也可以被投影；术语“亮度值”因此也以这种方式理解，即，它可包括反射光的其他属性，诸如波长或颜色。
在优选实施方式中，范围图像被用于在计算3D坐标的过程中消除模糊：如果结构光测量在物体的特定特征上的一组物点的3D坐标中产生模糊，则范围图像点或一组范围图像点的距离信息可以用于快速并可信赖地消除模糊。
例如，如果特征的形状或这组物点的位置不能仅通过结构光测量没有模糊地确定，-即，如果存在能够从由结构光测量产生的数据计算出的超过一个可能形状或位置-一个或更多个范围图像点传递关于特有特征的(粗)形状和/或该组图像点的至少一个图像点的精确的位置的信息，以使得模糊被消除–即，检测到多个可能形状中的正确形状或多个可能位置中的正确位置。
可以通过验证模糊的可能性中的一个或通过证明除了一种可能性以外都是假的来消除模糊。如果由于范围图像的较低分辨率，没有针对特定模糊的一组图像点的匹配数据，则也可以通过基于范围图像验证每个图像的拟真性来消除模糊。
在一个实施方式中，该方法还包括：
●确定特定的2D图像点的亮度值或亮度值序列是否包含模糊；以及
●在包含模糊的情况下，使用物体的多个点中的至少一个点的距离信息来消除模糊。
根据本发明的另一个方面，该方法包括使用范围照相机捕捉物体的幅度图像，所述幅度图像包括多个点中的每个点的亮度信息，特别是其中，用于消除在3D坐标计算中的模糊，范围图像和幅度图像组合成物体的3D图像。因此，本发明提供额外的物体3D图像捕捉以及基于来自额外地捕捉的3D图像的距离信息的相关物点的3D坐标的提取。
根据本发明的又一个方面，如果在捕捉的2D图像中存在模糊，则阻止与2D图像中的2D图像点相关的物点的3D坐标的计算。针对每个3D图像点，3D图像包括所述3D图像点和物点之间的径向测得的距离信息。由于一个3D图像包括数千个图像点，因此可以对多个物点重复这种方法，使得能够快速、低成本且可信赖地确定物体的3D坐标。
根据本发明的又一个方面，该方法包括确定特定的2D图像点的亮度值序列是否包含模糊；以及在包含模糊的情况下，将特定的2D图像点与特定相关物点的特定3D图像点链接起来，并且从链接的特定3D图像点提取特定相关物点的3D坐标。
所以，在模糊的情况下，如果从特定的2D图像点的亮度值序列计算特定相关物点的3D坐标是不可能的，则捕捉包含特定相关物点的特定3D图像点的3D图像。特定2D图像点被链接到所捕捉的特定3D图像点以提取特定相关物点的3D坐标，链接是通过使用链接的特定3D图像点和特定相关物点之间的径向测定距离信息实现的。此外，可以对多个物点重复这种方法，使得能够快速、低成本且可信赖地确定物体的3D坐标。
下面将通过参考具有附图的示例性实施方式进行详细说明本发明，其中，
图1a至图1b示意性地示出现有技术的光学测量装置；
图2示意性地示出根据图1a至图1d的具有额外的TOF照相机的光学测量装置；
图3a至图3d示意性地示出在产生模糊的不同测量条件下投影仪装置的预定图案；
图4a至图4b示意性地示出现有技术的光学测量装置；
图5示意性地示出根据图4a至图4d的具有额外的TOF照相机的光学测量装置；
图6示意性地示出根据本发明光学测量装置的示例性实施方式的一部分；
图7a示意性地示出通过根据图6的光学测量装置在第一视点无模糊地测得的亮度值序列的示例性实施方式；
图7b示意性地示出通过根据图6的光学测量装置在第二视点有模糊地测得的根据图7a的亮度值序列的示例性实施方式；
图8示出由根据图6的光学测量装置捕捉的3D图像的示例性实施方式；
图9示出由根据图6的光学测量装置确定物体的3D坐标的方法的步骤的第一流程图；
图10示出由根据图6的光学测量装置确定物体的3D坐标的方法的步骤的第二流程图；以及
图11示出了由根据图6的光学测量装置确定的物体的3D形状表示的示例性实施方式。
在图1a和图1b中，示意性地描述了从现有技术中得知的概念。图1a示出了一种现有技术中已知的用于通过结构光测量来确定物体的3D坐标的光学测量装置。该装置包括投影仪装置11以及光电传感器阵列(PSA)照相机12，投影仪装置11和光电传感器阵列照相机12都指向待测物体2。在图1b中，投影仪装置11将预定的图案10投影到物体2上。为了确定物体的3D坐标，PSA照相机12利用投影的图案10来捕捉物体2的至少一个2D图像。
在某些情况下，在物体2的某些区域，可能出现坐标确定中的模糊，通常使得有必要使用不同的预定图案进行进一步测量以便于确定物体2的不模糊的坐标。
在图2中，示意性地描述了本发明的一般性概念。根据本发明，图1a至图1b的光学测量装置额外地包括根据飞行时间原理工作的范围照相机(TOF照相机13)。TOF照相机13指向物体2并且适于测量到物体2上和物体2周围的多个点131的距离。为了消除模糊并且避免用不同的图案对物体2的进一步2D图像进行相对较长的捕捉，随后可以比较由TOF照相机13产生的数据和PSA照相机12的数据。
在图3a至图3d中，示出了当在户外例如为了测量土方工程操作而使用结构光测量时可能出现的某些测量条件下的预定图案10。图3a示出了在黑暗中投射到均匀反射的平面上的预定图案10。
图3b示出了在明亮的环境光(例如，日光40)的影响下投射的相同图案10’。由于环境光，相比于图3a的图案10，图案10’的对比度降低。
图3c示出了待测量的物体2，与图3a相反，物体2的表面不是均匀反射的。
在图3d中，在日光40的影响下，图案10’被具有投影仪装置11和至少一个PSA照相机12的光学测量装置1投射到物体2上。由于图案10’的降低的对比度以及物体表面的非均匀反射，PSA照相机12不能非模糊地确定物体2的区域114处的3D坐标。
在图4a和图4b中，描述了从现有技术中已知的用于通过结构光测量来确定物体2的3D坐标的光学测量装置。该装置包括投影仪装置11和光电传感器阵列(PSA)照相机12，投影仪装置11和光电传感器阵列照相机12都指向待测量的物体2。
在图4a中，投影装置11将预定图案10投射到物体2上。为了确定物体的3D坐标，PSA照相机12利用投影图案10来捕捉物体2的至少一个2D图像120。
在图4b中，添加了日光40形式的变化的环境光。太阳光41的光线在物体2上移动，其他区域保持阴影，例如，穿过云层、树和其他投射阴影的物体。在太阳光41遇到物体2的地方，图案10’发出眩光，导致了在这些区域114的图案的识别中的模糊，使得在3D坐标的确定中产生模糊。
图5示出了根据本发明的第二实施方式的图4a至图4d的光学测量装置，该光学测量装置另外还包括TOF照相机13。TOF照相机13指向物体2，并且测量到范围图像133中的物体2上和周围的多个点131的距离。范围图像包括物体2的多个点131的距离信息，使得可以生成点云。随后，在物体2的3D坐标的计算中考虑范围图像133。如果在结构光测量中存在模糊性，则可以使用物体2的点131的距离信息来消除模糊。
在图6中，示出了具有投影仪装置11、至少一个光电传感器阵列(PSA)照相机12、12’以及根据飞行时间原理工作的范围照相机13(飞行时间照相机)的光学测量装置1的一个实施方式。光学测量装置1还包括内部显示装置15、内部输入装置16、有形机器可读存储介质17以及计算装置18。在投影仪装置11、PSA照相机12、12’、TOF照相机13、内部显示装置15、内部输入装置16、有形机器可读存储介质17以及计算装置18中的至少一方之间的通信通过光学测量装置1的内部总线装置14发生。内部总线装置14可以是标准的计算机总线(诸如PCI(外设组件互连))。光学测量装置1包括电力供应装置19和内部总线接口装置14’，内部总线接口装置14’用于通过外部总线装置4与外部计算装置3通信。外部总线装置4可以是有线标准计算机总线(诸如，通用串行总线(USB))或无线标准计算机总线(诸如，蓝牙)。外部计算装置3包括外部显示装置35以及外部输入装置36。
投影仪装置11包括光源(诸如液晶显示器(LCD)或硅上液晶显示器(LCOS))以使用预定图案10序列照射物体2。图案10可以是带有二进制编码或格雷编码的黑白条纹图案的视频信号；所述条纹可以具有可变的宽度尺寸和可变的间隔距离。投影仪装置11在投影仪装置视点11*下沿着投影轴线11a以锥型投影将图案10投影在物体2的至少一部分上。在图6中，由虚线表示图案10的圆锥形投影的界限，投影轴线11a基本上位于锥型投影的中心。投影仪装置11输出数字投影仪数据信号112。投影仪数据信号112包括投影轴线11a的至少一个坐标。投影仪数据信号112可以在显示装置15、35上显示，并且由计算装置18解释。投影仪数据信号112可以存储在有形机器可读存储介质17上。
PSA照相机12、12’是基于CCD的照相机或者是基于互补金属氧化物半导体(CMOS)的照相机，PSA照相机12、12’以数百万像素的高图像分辨率捕捉2D图像。优选地，提供至少两个PSA照相机12、12’。第一PSA照相机12在第一视点12*捕捉第一2D图像120序列；第二PSA照相机12’在第二视点12**捕捉第二2D图像120’序列。2D图像120、120’被同时捕捉。第一视点12*和第二视点12**固定地设置在光学测量装置的壳体内几厘米的距离处，使得PSA照相机轴线12a、12a’以5°到20°的偏移角指向物体2。
PSA照相机12、12’的视场在30°到70°的范围内。亮度具有在20dB和100dB之间的动态范围。PSA照相机12、12’可以有用于改变物体2的视场的变焦功能。变焦功能可以被实现为是数字变焦或光学变焦镜头。在图6中，由虚线表示2D图像120、120’的界限。2D图像120、120’包括物体2的至少一部分以及作为从物体2反射的图案10的至少一部分。使用2D图像120、120’的2D图像点121、121’的分辨率捕捉作为从物体2反射的条纹图案10。单个条纹形成2D图像点121、121’上的黑亮度值，单个条纹之间的间隔距离形成2D图像点121、121’上的白亮度值。针对每个捕捉的2D图像120、120’，PSA照相机12、12’发出数字2D图像数据信号122。2D数据信号122可以显示在显示装置15、35上。2D数据信号122可以由计算装置18解释。2D数据信号122可以存储在有形机器可读存储介质17上。
根据图7a，第一PSA照相机12在第一视点12*捕捉2D图像120序列(三个)；根据图7b，第二PSA照相机12’在第二视点12**捕捉2D图像120’序列(三个)。针对2D图像120、120’的相同的2D图像点121、121’，测量亮度值序列(三个)180、180’、180”。
根据图7a，该亮度值序列180、180’、180”包括第一黑亮度值180、第二白亮度值180’以及第三黑亮度值180”。该序列免于由环境光诱发的模糊，使得亮度值180、180’、180”的亮度可以清楚地确定为黑或白。
根据图7b，亮度值序列180、180’、180”包括第一黑亮度值180、第二灰亮度值180’以及第三黑亮度值180”。该序列包括由环境光诱发的模糊。因此，第二灰亮度值180’的亮度不能被清楚地确定为黑或白。因此，两个亮度值序列180、180’、180”是不相同的，并且不满足用于计算相关物点20的3D坐标21的极线约束，这使得确定与该特定2D图像点121、121’相关的特定物点20的3D坐标21是不可能的。
在这点上，本发明通过TOF照相机13提供了一种解决方案。TOF照相机具有光源(诸如激光二极管或发光二极管(LED))来照射物体2。TOF照相机13按照飞行时间原理工作。来自物体2的后向散射光由半导体探测器(诸如，CCD或CMOS)捕捉。根据到物体2的距离，光在时间上被延迟，导致了发射信号与接收信号之间的相位差。TOF照相机13以低至10毫秒的帧接收器速率并且从TOF照相机视点13*捕捉范围图像133。该TOF照相机视点13*被固定地设置于光学测量装置1的壳体中相对于投影仪装置11的几毫米或厘米的相互距离处，使得TOF照相机轴线13a以与投影仪装置11和PSA照相机12、12’的视点11*、12*、12**的角度相差几度的角度指向物体2。
TOF照相机13以低至10毫秒的帧接收器速率捕捉范围图像133。TOF照相机13的视场在30°到70°的范围内。TOF照相机13的视场的中心是TOF照相机的轴线13a。目前，TOF照相机13的图像分辨率被限制为几千个像素。下面，这些像素是指定的3D图像点131。
根据图8，范围图像133和幅度图像134组合成3D图像130。针对每个3D图像点131，范围图像133包括3D图像点131和物点20之间的径向测量的距离信息133’。距离信息133’可以表示成一组笛卡尔坐标；也可使用任何其他坐标系。距离信息133’的精度在0.5米到60米的距离范围内接近1毫米到几厘米。针对每个像素，幅度图像134包括接收信号的亮度信息134’。亮度信息134’具有20dB到60dB之间的动态范围。在图6中，由点线表示3D图像130的界限。3D图像130包括物体2的至少一部分和作为从物体2反射的图案10的至少一部分。针对每个捕捉的3D图像点131，TOF照相机13发出带有距离信息133’和亮度信息134’的数字3D图像数据信号132。3D数据信号132可以在内部显示装置15上显示为内部3D图像表示152和/或在外部显示装置35上显示为外部3D图像表示352。3D数据信号132可以由计算装置18解释。3D数据信号132可以存储在有形机器可读存储介质17上。
通过使用光学测量装置1的参考点，能够在亮度值序列180、180’、180”包含模糊的特定2D图像点121、121’和与特定2D图像点121、121’的模糊的亮度值序列180、180’、180”相关的物点20的特定3D图像点131之间建立链接。为此，投影仪装置11、PSA照相机12、12’以及TOF照相机13被固定地安装到光学测量装置1的壳体内。参考点被定义，所述参考点可以是投影仪装置轴线11a的坐标、PSA照相机轴线12a、12a’的坐标或TOF照相机轴线13a的坐标中的一个。可以使用光学测量装置1中的任何其他参考点。第一几何关系将来自PSA照相机12、12’的2D图像120、120’的特定2D图像点121、121’的坐标与参考点的坐标链接起来。特定2D图像点121、121’的坐标可以使用2D图像信号122发出。2D图像点的坐标121、121’精确地定位PSA照相机12、12’的CCD或CMOS传感器上的像素。PSA照相机12、12’与参考点之间的相互距离以及PSA照相机12、12’的视点12*、12**与参考点之间的相互距离是已知的。第二几何关系将参考点的坐标与特定3D图像点131的坐标链接起来。此外，参考点与TOF照相机13之间的相互距离以及参考点的视点与TOF照相机的视点13*之间的相互距离是已知的。通过获知PSA照相机12、12’的CCD或CMOS传感器的像素数量和像素尺寸以及TOF照相机13的CCD或CMOS传感器的像素数量和像素尺寸，可以确定PSA照相机12、12’的CCD或CMOS传感器以及TOF照相机13的CCD或CMOS传感器的尺寸比。通过利用特定的2D图像点121、121’的坐标以及PSA照相机12、12’的CCD或CMOS传感器与TOF照相机13的CCD或CMOS传感器的尺寸比，可以计算特定3D图像点131的坐标，所述特定3D图像点131的坐标精确地定位TOF照相机13的CCD或CMOS传感器上的像素。第三几何关系把特定的3D图像点131的坐标与特定的物点20的坐标链接起来。该信息从特定的3D图像点131和特定的物点20之间的径向测量距离信息133’提供。
光学测量装置1包括带有中央处理器(CPU)的计算装置18以及有形机器可读存储介质17(诸如只读存储器(ROM)或随机存取存储器(RAM))。根据本发明的方法存储在机器可读存储介质17中。该方法例如以计算机程序产品的形式存储。计算机程序产品作为计算机程序加载到计算装置18，并且加载的计算机程序由计算装置18执行。计算装置18对加载并执行的计算机程序指令以及用户的指令进行解释。本发明包括大量的指令；下面的指令列表是示例性的而不旨在穷举。
加载并执行的计算机程序指令涉及至少一个：
●测量所捕捉的2D图像120、120’的至少一个2D图像点121、121’的亮度值序列180、180’、180”。
●从测量的2D图像点121、121’的亮度值序列180、180’、180’计算相关的物点20的3D坐标21。
●确定特定的2D图像点121、121’的亮度值序列180、180’、180”是否包含模糊。
●链接特定的2D图像点121、121’和相关的物点20的3D图像点131。
●从链接的3D图像点131提取相关的物点20的3D坐标21。
●确定来自第一视点12*的亮度值序列180、180’、180”是否与来自第二视点12**的亮度值序列180、180’、180”相似。
●确定来自第一视点12*的亮度值序列180、180’、180”与来自第二视点12**的亮度值序列180、180’、180”是否缺少相似性，在缺少相似性的情况下，链接来自第一视点12*和第二视点12**的亮度值序列180、180’、180”缺少相似性的特定的2D图像点121、121’和相关的物点20的3D图像点131，并且从链接的3D图像点131提取相关的物点20的3D坐标21。
●链接特定的2D图像点121、121’的坐标和参考点的坐标。
●确定PSA照相机12、12’的CCD或CMOS传感器与TOF照相机13的CCD或CMOS传感器的尺寸比。
●使用特定的2D图像点121、121’的坐标以及PSA照相机12、12’的CCD或CMOS传感器与TOF照相机13的CCD或CMOS传感器的尺寸比来计算特定的3D图像点131的坐标，特定的3D图像点131的坐标精确地定位TOF照相机13的CCD或CMOS上的像素。
●链接参考点的坐标和特定的3D图像点131的坐标。
●重复用于获得相关的物点20和特定的相关物点的多个3D坐标21以确定物体2的3D形状表示200的方法的步骤。
●在显示装置15、35上显示物体2的最新确定的3D形状表示。
●在显示装置15、35上单独地显示物体2的最新确定的3D形状表示200或与物体2的最新的3D图像表示152、352结合地显示。
图9是本发明的方法步骤的图。计算装置18的计算机程序解释指令并且控制光学测量装置1相应地执行方法的步骤A到E。
在步骤A，投影仪装置11用预定的图案10序列照射物体2。在步骤B，PSA照相机12、12’捕捉从物体2反射的图案10的2D图像序列120、120’。在步骤C，计算装置18的计算机程序测量来自捕捉的2D图像120、120’的至少一个2D图像点121、121’的亮度值序列180、180’、180”。在步骤D，计算装置18的计算机程序计算与2D图像点121、121’的测量的亮度值序列180、180’、180”相关的物点20的3D坐标21。在步骤E，TOF照相机13捕捉物体2的至少一个3D图像130，3D图像130包括相关的物点20的3D图像点131。
图10是本发明的方法步骤的另一个图。计算装置18的计算机程序解释指令并且控制光学测量装置1相应地执行方法的步骤B1、B2、C1、C2、C3、D1和F。
在步骤B1，第一PSA照相机12从第一视点12*捕捉图案10的2D图像序列120。在步骤B2，第二PSA照相机12’从第二视点12**同时地捕捉图案10的相同的2D图像序列120’。在步骤C1，计算装置18的计算机程序从第一视点12*测量来自2D图像120的2D图像点121的亮度值序列180、180’、180”。在步骤C2，计算装置18的计算机程序从第二视点12**测量来自2D图像120’的2D图像点121’的亮度值序列180、180’、180”。在步骤C3，计算装置18的计算机程序确定来自第一视点12*的亮度值序列180、180’、180”是否类似于来自第二视点12**的亮度值序列180、180’、180”。
在具有相似性的情况下，计算装置18的计算机程序在步骤D’针对至少一个2D图像点121、121’从测量的亮度值序列180、180’、180”计算相关的物点20的3D坐标21。在缺少相似性的情况下，计算装置18的计算机程序在步骤F将来自第一视点12*和第二视点12**的亮度值序列180、180’、180”缺少相似性的特定的2D图像点121、121’与特定的相关物点20的特定的3D图像点131链接，并且在步骤G从链接的特定3D图像点131提取特定的相关物点20的3D坐标21。
为了获得相关物点20和特定的相关物点的多个3D坐标21，可以重复方法的步骤以确定物体2的3D形状表示200。物体2的3D形状表示200可包括数千个物点20。
根据图11，可以在显示装置15、35上显示物体2的最新确定的3D形状表示200。物体2的最新确定的3D形状代表200可以单独地或与物体2的最新的3D图像表示152、352组合地显示在显示装置15、35上。由于3D形状表示200的确定耗费数百毫秒，并且由于TOF照相机13具有低至10毫秒的帧接收器速率，因此物体2最新确定的3D形状表示200与最新的3D图像表示152、352的组合显示具有优点，所述优点在于物体2的3D形状表示200提供物体2的精确表示，并且3D图像表示152、352提供物体2的快速实时的视频成像。
可以理解的是，尽管以上通过部分地参考某些优选实施方式而例示了本发明，但是可以对实施方式的不同特征进行许多修改和组合。所有这些修改在所附的权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种通过光学测量装置(1)确定物体(2)的3D坐标的方法，该方法包括结构光测量，其中：
●使用预定图案(10)特别是使用预定图案(10)序列照射物体(2)；
●捕捉从所述物体(2)反射的所述图案(10)的2D图像(120)，特别是2D图像序列(120、120’)；
●测量来自所述2D图像(120)的至少一个2D图像点(121、121’)的至少一个亮度值(180)，特别是亮度值序列(180、180’、180”)；以及
●计算与所述2D图像点(121、121’)的测量的所述至少一个亮度值(180)相关的物点(20)的3D坐标(21)；
其特征在于，
●该方法还包括用TOF照相机(13)捕捉所述物体(2)的至少一个范围图像(133)，所述范围图像(133)包括所述物体(2)的多个点的距离信息(133’)；并且
●在所述3D坐标(21)的所述计算中考虑所述范围图像(133)。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述范围图像(133)用于消除所述3D坐标(21)的所述计算中的模糊。
3.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
该方法还包括：
●确定特定的2D图像点(121、121’)的亮度值(180)或亮度值序列(180、180’、180”)是否包括模糊；以及
●在存在模糊的情况下，使用所述物体(2)的所述多个点中的至少一个点的距离信息(133’)来消除模糊。
4.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
使用所述TOF照相机(13)捕捉所述物体的幅度图像(134)，所述幅度图像(134)包括所述多个点中的每个点的亮度信息(134’)，特别是其中，为了消除所述3D坐标(21)的所述计算中的模糊，所述范围图像(133)和所述幅度图像(134)组合成所述物体(2)的3D图像(130)。
5.根据权利要求4所述的方法，
其特征在于，
●确定特定的2D图像点(121、121’)的亮度值(180)或亮度值序列(180、180’、180”)是否包含模糊；并且
●在模糊的情况下，
-将所述特定的2D图像点(121、121’)与特定的相关的物点(20)的特定的3D图像点(131)链接；并且
-从链接的特定的3D图像点(131)提取所述特定的相关的物点(20)的3D坐标(21)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
●从第一视点(12*)捕捉所述图案(10)的2D图像(120)序列；
●从第二视点(12**)同时捕捉所述图案(10)的相同的2D图像(120’)序列；
●测量来自所述第一视点(12*)的2D图像(120)的2D图像点(121)的亮度值序列(180、180’、180”)；
●测量来自所述第二视点(12**)的2D图像(120’)的2D图像点(121’)的亮度值序列(180、180’、180”)；
●确定来自所述第一视点(12*)的所述亮度值序列(180、180’、180”)是否与来自所述第二视点(12**)的所述亮度值序列(180、180’、180”)相似；以及
●在存在相似性的情况下，从所述2D图像点(121、121’)的测量的亮度值序列(180、180’、180”)计算相关的物点(20)的3D坐标(21)；或者
●在缺少相似性的情况下，
-将其中来自所述第一视点(12*)和第二视点(12**)的所述亮度值序列(180、180’、180”)缺少相似性的所述特定的2D图像点(121、121’)与特定的相关的物点(20)的特定的3D图像点(131)链接，并且
-从所链接的特定的3D图像点(131)提取所述特定的相关的物点(20)的3D坐标(21)。
7.根据权利要求6所述的方法，
其特征在于，
●测量来自所述第一视点(12*)和第二视点(12**)的2D图像(120、120’)的多个2D图像点(121、121’)的亮度值序列(180、180’、180”)；
●针对所述多个2D图像点(121、121’)中的至少一个，确定来自所述第一视点(12*)的所述亮度值序列(180、180’、180”)是否与来自所述第二视点(12**)的所述亮度值序列(180、180’、180”)相似；
●在存在相似性的情况下，从所述多个2D图像点(121、121’)中的至少一个的测量的亮度值序列(180、180’、180”)计算相关物点(20)的至少一个3D坐标(21)；
●在缺少相似性的情况下，
-将其中来自所述第一视点(12*)和第二视点(12**)的所述亮度值序列(180、180’、180”)缺少相似性的至少一个特定的2D图像点(121、121’)与特定的相关的物点(20)的特定的3D图像点(131)链接，并且
-从链接的特定的3D图像点(131)提取所述特定的相关的物点(20)的至少一个3D坐标(21)；以及
●从相关的物点(20)的和特定的相关的物点(20)的所述多个3D坐标(21)确定所述物体(2)的3D形状表示(200)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
●重复权利要求7所述的步骤；以及
●显示
-所述物体(2)的最新确定的3D形状表示(200)，和/或
-所述物体(2)的最新的3D图像表示(152、352)。
9.一种用于确定物体(2)的3D坐标的光学测量装置(1)，该光学测量装置(1)包括：
●投影仪装置(11)，用于使用至少一个预定图案(10)特别是使用预定图案(10)序列来照射所述物体(2)；
●至少一个PSA照相机(12、12’)，用于捕捉从所述物体(2)反射的所述图案(10)的2D图像(120)，特别是2D图像序列(120，120’)；
●计算装置(18)，用于计算
-来自所述2D图像(120、120’)的至少一个2D图像点(121、121’)的至少一个亮度值(180)，特别是亮度值序列(180、180’、180”)；以及
-计算与所述2D图像点(121、121’)的测量的所述至少一个亮度值(180)相关的物点(20)的3D坐标(21)；
其特征在于，
TOF照相机(13)，用于捕捉所述物体(2)的至少一个范围图像(133)，所述范围图像(133)包括所述物体(2)的多个范围图像点的距离信息(133’)。
10.根据权利要求9所述的光学测量装置(1)，
其特征在于，
所述TOF照相机(13)适于捕捉所述物体(2)的幅度图像(134)，所述幅度图像(134)包括所述多个点中的每个点的亮度信息(134’)。
11.根据权利要求9所述的光学测量装置(1)，
其特征在于，
所述投影仪装置(11)、所述PSA照相机(12、12’)以及所述TOF照相机(13)被固定地安装在所述光学测量装置(1)的壳体内。
12.根据权利要求9到11中一项所述的光学测量装置(1)，
其特征在于，
●用于确定特定的2D图像点(121、121’)的亮度值序列(180、180’、180”)是否包含模糊的装置；
●用于在存在模糊性的情况下将所述特定的2D图像点(121、121’)与特定的相关的物点(20)的特定的3D图像点(131)链接的装置；以及
●用于在存在模糊性的情况下从链接的特定的3D图像点(131)提取所述特定的相关的物点(20)的3D坐标(21)的装置。
13.根据权利要求9到12中一项所述的光学测量装置(1)，
其特征在于，
●第一PSA照相机(12)，用于从第一视点(12*)捕捉所述图案(10)的2D图像(120)序列；
●第二PSA照相机(12’)，用于同时从第二视点(12**)捕捉所述图案(10)的相同的2D图像(120’)序列；
●用于测量来自所述第一视点(12*)和所述第二视点(12**)的2D图像(120、120’)的多个2D图像点(121、121’)的亮度值序列(180、180’、180”)的装置；
●用于针对所述多个2D图像点(121、121’)中的至少一个确定来自所述第一视点(12*)的所述亮度值序列(180、180’、180”)是否与来自所述第二视点(12**)的所述亮度值序列(180、180’、180”)相似的装置；
●用于在具有相似性的情况下从所述多个2D图像点(121、121’)中的至少一个的所述测量的亮度值序列(180、180’、180”)计算相关的物点(20)的3D坐标(21)的装置；
●用于在缺少相似性的情况下将来自所述第一视点(12*)和第二视点(12**)的所述亮度值序列(180、180’、180”)缺少相似性的至少一个特定的2D图像点(121、121’)与特定的相关的物点(20)的特定的3D图像点(131)链接的装置；
●用于在缺少相似性的情况下从链接的特定的3D图像点(131)提取所述特定的相关的物点(20)的至少一个3D坐标(21)的装置；以及
●用于从相关的物点(20)的和特定的相关物点(20)的所述多个3D坐标(21)确定所述物体(2)的3D形状表示(200)的装置，
特别是其中，所述光学测量装置(1)包括显示装置(15、35)，所述显示装置(15、35)用于显示所述物体(2)的最新确定的3D形状表示(200)和/或用于显示所述物体(2)的最新3D图像表示(152、352)。
14.根据权利要求13所述的光学测量装置(1)，
其特征在于，
●所述PSA照相机(12、12’)发出带有所述特定的2D图像点(121、121’)的坐标的2D图像信号(122)，所述特定的2D图像点(121、121’)的坐标精确地定位所述PSA照相机(12、12’)的CCD或CMOS传感器上的像素；
●用于确定所述PSA照相机(12、12’)的所述CCD或CMOS传感器与所述TOF照相机(13)的CCD或CMOS传感器的尺寸比的装置；以及
●用于使用所述特定的2D图像点(121、121’)的所述坐标以及所述PSA照相机(12、12’)的所述CCD或CMOS传感器与所述TOF照相机(13)的所述CCD或CMOS传感器的所述尺寸比来计算所述特定的3D图像点(131)的坐标的装置，所述特定的3D图像点(131)的坐标精确地定位所述TOF照相机(13)的CCD或CMOS传感器上的像素。
15.一种计算机程序产品，该计算机程序产品具有计算机可执行指令，特别是当所述计算机可执行指令在根据权利要求9到14中一项的光学测量装置(1)的所述计算装置(18)上运行时，所述计算机可执行指令执行用于确定物体(2)的3D坐标的方法，该方法包括：
●接收所述物体(2)的至少一个2D图像点(121、121’)的至少一个亮度值(180)特别是亮度值序列(180、180’、180”)，
●接收所述物体(2)的多个点的距离信息(133’)，以及
●计算与所述2D图像点(121、121’)的测量的所述至少一个亮度值(180)相关的物点(20)的3D坐标(21)，其中，在所述3D坐标(21)的所述计算中考虑所述物体(2)的至少一个点的所述距离信息(133’)。
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