CN105051488A - 通过受引导的探测来在3d扫描仪中诊断多路径干扰并且消除多路径干扰 - Google Patents

通过受引导的探测来在3d扫描仪中诊断多路径干扰并且消除多路径干扰 Download PDF

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Abstract

一种用于通过下述步骤来确定对象的表面上的点的3D坐标的方法：提供具有探针末端的远程探针以及非接触式3D测量设备，该非接触式3D测量设备具有耦接至处理器的投影仪和相机；将图案投影至表面上以确定表面上的点的3D坐标的第一集合；通过投影光线并且从点的所测量的3D坐标反射光线来确定对象对多路径干扰的敏感性；投影第一光以引导用户对远程探针进行定位，第一光至少部分地由对多路径干扰的敏感性来确定；将探针末端与在所指示的区域处的表面接触；照射在远程探针上的至少三个光点；使用相机来捕获至少三个点的图像；以及确定探针末端的3D坐标。

Description

通过受引导的探测来在3D扫描仪中诊断多路径干扰并且消除多路径干扰
技术领域
本文所公开的主题涉及三维坐标扫描仪并且更特别地涉及具有多个数据获取模式的三角测量型扫描仪。
背景技术
已知对对象或环境的三维坐标的获取。可以使用各种技术，例如，飞行时间(time-of-flight)方法或三角测量方法。诸如激光跟踪仪、全站仪或飞行时间扫描仪的飞行时间系统可以将光束(例如激光光束)朝向对象的表面上的回射器目标或点引导。绝对距离测量仪用于基于光行进至目标或点并且返回所花费的时间长度来确定到目标或点的距离。通过将激光光束或目标相对于对象的表面移动，可以确定对象的坐标。飞行时间系统的优势在于具有相对高的精度，但是，在一些情况下，因为飞行时间系统通常必须分别地测量表面上的每个点，所以飞行时间系统与一些其他系统相比会较慢。
相比之下，使用三角测量来测量三维坐标的扫描仪将线状的光的图案(例如，来自激光线型探针的激光线)投影到表面上或者将覆盖一区域的光的图案(例如，结构光)投影到表面上。例如通过将相机和投影仪附接至共同的支架来将相机以固定的关系耦接至投影仪。从投影仪发射的光从表面反射并且由相机检测。由于相机和投影仪以固定关系被布置，因此可以使用三角原理来确定到对象的距离。与使用接触式探针的坐标测量设备相比，三角测量系统提供的优势在于：在较大区域上快速地获取坐标数据。如本文所使用的，由三角测量系统提供的三维坐标值的结果集合被称为点云数据或简单地被称为点云。
当使用激光扫描仪时，许多问题会妨碍对高精度的点云数据的获取。这些问题包括但是不限于：例如，由于对象表面的反射率的变化或表面相对于投影光的入射角的变化而引起的在相机像面上接收到的光的水平的变化；边缘(例如孔的边缘)附近的低分辨率；以及多路径干扰(multipathinterference)。在一些情况下，操作员可能未意识到问题或不能消除问题。在这些情况下，结果是丢失点云数据或者错误的点云数据。
因此，虽然现有的扫描仪适合用于其意图的目的，但是仍然存在对改善的需求，特别是在提供可以适应于不利状况并且提供改善的数据点获取的扫描仪方面。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种非接触式光学三维测量设备。该非接触式光学三维测量设备包括：可移动远程探针设备，该可移动远程探针设备具有传感器和至少三个非共线光点；组件，该组件包括投影仪、第一相机以及第二相机，其中，投影仪、第一相机以及第二相机相对于彼此固定，在投影仪与第一相机之间存在第一距离并且在投影仪与第二相机之间存在第二距离，投影仪具有光源，投影仪被配置成将具有第一图案的第一光发射至对象的表面上，第一相机具有第一镜头和第一光敏阵列，第一相机被配置成接收从表面反射的第一光的第一部分并且产生第一数字信号作为响应，第一相机具有第一视场，该第一视场是第一相机的观看区域的第一角，第二相机具有第二镜头和第二光敏阵列，第二相机被配置成接收来自至少三个非共线光点的第二光的第二部分并且产生第二信号作为响应，第二相机具有第二视场，该第二视场是第二相机的观看区域的第二角，第二视场不同于第一视场；以及处理器，该处理器电耦接至投影仪、第一相机以及第二相机，该处理器执行计算机可读程序代码，该计算机可读程序代码当被处理器执行时实现包括下述的操作：使第一信号在第一时间处被采集并且使第二信号在不同于第一时间的第二时间处被采集，至少部分地基于第一信号和第一距离来确定表面上的第一点的三维坐标，以及至少部分地基于第二信号和第二距离来确定与传感器接触的表面上的第二点的三维坐标。
根据本发明的一个方面，提供了一种确定对象的表面上的三维坐标的方法。确定对象的表面上的三维坐标的方法包括：提供远程探针设备，该远程探针设备具有传感器和至少三个非共线光点；提供组件，该组件包括投影仪、第一相机以及第二相机，其中，投影仪、第一相机以及第二相机相对于彼此固定，在投影仪与第一相机之间存在第一距离并且在投影仪与第二相机之间存在第二距离，投影仪具有光源，投影仪被配置成将具有第一图案的第一光发射至表面上，第一相机具有第一镜头和第一光敏阵列，第一相机被配置成接收从表面反射的第一光的第一部分，第一相机具有第一视场，该第一视场是第一相机的观看区域的第一角，第二相机具有第二镜头和第二光敏阵列，第二相机被配置成从至少三个非共线光点接收第二光的第二部分，第二相机具有第二视场，该第二视场是第二相机的观看区域的第二角，第二视场不同于第一视场；提供处理器，该处理器电耦接至投影仪、第一相机以及第二相机；在第一情况下，将具有第一图案的第一光从投影仪发射至表面上；在该第一情况下，使用第一相机获取表面的第一图像并且将第一信号发送至处理器作为响应；确定表面上的第一点的三维坐标的第一集合，该第一集合至少部分地基于第一图案、第一信号以及第一距离；实施诊断过程，该诊断过程确定针对第一集合的质量因子，至少部分地基于诊断过程的结果来确定表面上的位置；在第二情况下，将第三光从投影仪发射至邻近所述位置的位置；将远程探针移动至所述位置并且使传感器与邻近所述位置的表面接触，在第三情况下，使用第二相机获取至少三个非共线光点的第二图像并且将第二信号发送至处理器作为响应；以及确定传感器接触表面的第二点的三维坐标的第二集合，该第二集合至少部分地基于第二信号和第二距离。
根据结合附图的下文的描述，这些和其他优点和特征将变得更加清楚。
附图说明
在说明书的结尾处所附的权利要求中特别地指出并且清楚地要求保护被认为是发明的主题。根据结合附图的下文的详细描述，本发明的前述和其他特征以及优点是清楚的，在附图中：
图1是根据本发明的实施方式的扫描仪的俯视示意图；
图2是示出操作图1的扫描仪的方法的流程图；
图3是根据本发明的另一实施方式的扫描仪的俯视示意图；
图4是示出操作图3的扫描仪的方法的流程图；
图5A是根据实施方式的激光扫描仪内的元件的示意图；
图5B是示出根据实施方式的操作扫描仪的方法的流程图；
图6是根据本发明的另一实施方式的扫描仪的俯视示意图；
图7是示出根据实施方式的操作扫描仪的方法的流程图；
图8A和图8B是根据本发明的实施方式的结合远程探针设备使用的扫描仪的立体图；
图9是示出操作图5的扫描仪的方法的流程图；
图10是根据实施方式的扫描仪的俯视示意图；
图11是示出操作图10的扫描仪的方法的流程图；以及
图12是示出根据实施方式的诊断方法的流程图。
详细的描述参照附图以举例的方式说明了本发明的实施方式以及优势和特征。
具体实施方式
本发明的实施方式在提高由扫描仪获取的数据点云的三维坐标的可靠性和精度方面提供了优势。本发明的实施方式在检测所获取的数据中的异常并且自动地调整扫描仪的操作以获取期望的结果方面提供了优势。本发明的实施方式在检测所获取的数据中的异常并且给操作员提供对需要附加数据获取的区域的指示方面提供了优势。本发明的又另一实施方式在检测所获取的数据中的异常以及给操作员提供对哪里的附加数据获取可以使用远程探针来获取的指示方面提供了优势。
扫描仪设备获取对象的三维坐标数据。在一个实施方式中，图1中示出的扫描仪20具有壳体22，该壳体22包括第一相机24、第二相机26以及投影仪28。投影仪28将光30发射到对象34的表面32上。在示例性实施方式中，投影仪28使用照射图案生成器的可见光源。该可见光源可以是例如激光、超发光二极管、白炽灯、氙气灯、发光二极管(LED)或其他发光器件。在一个实施方式中，图案生成器是其上蚀刻有结构光图案的镀铬玻璃载片。载片可以具有位置根据需要来回移动的单个图案或多个图案。载片可以被手动地或自动地安装在操作位置。在其他实施方式中，源图案可以是由数字微镜器件(DMD)反射的光或通过数字微镜器件透射的光，数字微镜器件为例如由德州仪器公司(TexasInstrumentsCorporation)制造的数字光投影仪(DLP)、液晶器件(LCD)、硅基液晶(LCOS)器件或者在透射模式而不是反射模式下使用的类似的器件。投影仪28还可以包括镜头系统36，该镜头系统36改变出射光以覆盖期望的区域。
在该实施方式中，投影仪28被配置成将结构光发射在区域37上。如本文所使用的，术语“结构光”是指投影到对象的区域上的光的二维图案，该二维图案传达可以用于确定对象上的点的坐标的信息。在一个实施方式中，结构光图案将包含设置在区域内的至少三个非共线图案元素。三个非共线图案元素中的每个元素均传达可以用于确定点坐标的信息。在另一实施方式中，提供了被配置成投影区域图案以及线状图案两者的投影仪。在一个实施方式中，投影仪是被配置成在区域图案和线状图案两者之间来回切换的数字微镜器件(DMD)。在一个实施方式中，DMD投影仪还可以扫描线或者以光栅图案扫描点。
通常，存在有两种类型的结构光图案——编码的光图案和未编码的光图案。如本文所使用的，编码的光图案是以下图案，在该图案中，通过获取单个图像来找到对象的受照射的表面的三维坐标。使用编码的光图案，可以在投影设备相对于对象移动时获得并且配准(register)点云数据。一种类型的编码的光图案包含一组元素(例如，几何形状)，该一组元素被布置在多条线中，其中元素中的至少三个元素不共线。由于元素的所述布置，因此这样的图案元素是可识别的。
相比之下，如本文中所使用的，未编码的结构光图案是不允许通过单个图案进行测量的图案。可以依次地投影并且成像一系列未编码的光图案。对于这种情况，通常需要将投影仪相对于对象保持固定。
应当理解，扫描仪20可以使用编码的结构光图案或未编码的结构光图案。结构光图案可以包括由JasonGeng在SPIE会议录第7932卷中发表的期刊论文“DLP-BasedStructuredLight3DImagingTechnologiesandApplications(基于DLP的结构光3D成像技术和应用)”中公开的图案，该期刊论文通过引用被并入本文。此外，在本文以下描述的一些实施方式中，投影仪28发射扫描的线状光或扫描的点状光形成的图案。扫描的线状光和扫描的点状光在识别一些类型的异常(例如多路径干扰)方面提供了优于区域状光的优势。在保持扫描仪静止的同时自动地扫描线还具有在提供对表面点的更均匀的采样方面的优势。
第一相机24包括光敏传感器44，该光敏传感器44生成传感器的视场内的区域48的数字图像/表示。传感器可以是例如具有像素阵列的电荷耦合器件(CCD)型传感器或者互补金属氧化物半导体(CMOS)型传感器。第一相机24还可以包括其他部件，例如，但不限于，镜头46和其他光学器件。镜头46具有相关联的第一焦距。传感器44和镜头46协作以限定第一视场“X”。在示例性实施方式中，第一视场“X”是16度(每英寸0.28英寸)。
类似地，第二相机26包括光敏传感器38，该光敏传感器38生成在传感器的视场内的区域40的数字图像/表示。传感器可以是例如具有像素阵列的电荷耦合器件(CCD)型传感器或者互补金属氧化物半导体(CMOS)型传感器。第二相机26还可以包括其他部件，例如，但不限于，镜头42和其他光学器件。镜头42具有相关联的第二焦距，第二焦距不同于第一焦距。传感器38和镜头42协作以限定第二视场“Y”。在示例性实施方式中，第二视场“Y”是50度(每英寸0.85英寸)。第二视场Y大于第一视场X。类似地，区域40大于区域48。应当理解，较大视场使得获取的对象表面32的给定区域能够被较快地测量；然而，如果光敏阵列44和38具有相同数量的像素，则较小的视场将提供较高的分辨率。
在示例性实施方式中，投影仪28和第一相机24以固定关系成角度地被布置，使得传感器44可以接收从对象34的表面反射的光。类似地，投影仪28和第二相机26以固定关系成角度地被布置，使得传感器38可以接收从对象34的表面32反射的光。由于投影仪28、第一相机24以及第二相机26具有固定的几何关系，因此通过投影仪28、第一相机24以及第二相机26的三角关系可以确定表面上的点的距离和坐标。虽然在图1中示出的相机24和相机26的视场(FOV)未交叠，但是FOV可以局部交叠或者完全交叠。
投影仪28以及相机24、相机26电耦接至设置在壳体22内的控制器50。控制器50可以包括一个或更多个微处理器、数字信号处理器、存储器以及信号调理电路。扫描仪20还可以包括致动器(未示出)，该致动器可以被操作员手动地激活以启动由扫描仪20进行的操作和数据捕获。在一个实施方式中，用于确定表示对象34的表面32的点云的X，Y，Z坐标数据的图像处理由控制器50来执行。可以将坐标数据本地地储存在例如易失性存储器或非易失性存储器54中。存储器可以是可移除的，例如，闪存驱动器或存储卡。在其他实施方式中，扫描仪20具有通信电路52，该通信电路52使得扫描仪20能够将坐标数据发送至远程处理系统56。扫描仪20与远程处理系统56之间的通信介质58可以是有线的(例如，以太网)或无线的(例如，蓝牙、IEEE802.11)。在一个实施方式中，坐标数据由远程处理系统56基于所获取的由扫描仪20通过通信介质58发送的图像来确定。
如双向箭头47所指示的，对象表面32与扫描仪20之间的相对运动是可能的。存在有可以提供这样的相对运动的数种方式。在实施方式中，扫描仪是手持式扫描仪而对象34是固定的。通过相对于对象表面移动扫描仪来提供相对运动。在另一实施方式中，扫描仪被附接至机器人端部执行器。随着机器人相对于对象表面移动扫描仪来通过机器人提供相对运动。在另一实施方式中，扫描仪20或对象34中的任一个附接至移动的机械机构，例如龙门式坐标测量机或者关节臂CMM。随着机械机构相对于对象表面移动扫描仪20来通过移动的机械机构提供相对运动。在一些实施方式中，运动是由操作员的动作提供的，而在其他实施方式中，运动是由计算机控制下的机构提供的。
现在参照图2，描述了扫描仪20根据方法1260的操作。如框1262所示，投影仪28首先将结构光图案发射到对象34的表面32的区域37上。来自投影仪28的光30从表面32反射作为被第二相机26接收的反射光62。表面32的三维轮廓影响被第二相机26内的光敏阵列38捕获的图案的图像。控制器50或远程处理系统56使用从一个或更多个图案的一个或更多个图像采集的信息来确定光敏阵列38的像素与由投影仪28发射的光的图案之间的一一对应关系。使用该一一对应关系，三角测量原理用于确定表面32上的点的三维坐标。在框1264中示出了三维坐标数据(点云数据)的这种获取。通过相对于表面32移动扫描仪20，可以创建整个对象34的点云。
如框1266所示，在扫描处理期间，控制器50或远程处理系统56可以检测点云数据中的不合期望的状况或问题。在下文中参照图12来讨论用于检测这样的问题的方法。所检测的问题可以是例如特定区域中的点云数据的误差或特定区域中的点云数据的缺失。所述数据的误差或数据的缺失可能由从该区域反射的光太少或太多引起。反射的光太少或太多可能是由于对象表面上的反射率的差异引起的，所述反射率差异是例如由于光30在对象表面32上的高入射角或可变的入射角引起的，或者由于低反射率(黑色或透明的)材料或有光泽的表面引起的。对象上的某些点可以成下述这样的角度：产生被称为闪烁的非常亮的镜面反射。
造成点云数据的误差或点云数据的缺失的另一可能原因是对具有精细特征、锐利的边缘或深度急剧变化的区域的分辨率的不足。这样的分辨率的不足可以是例如孔引起的结果。
造成点云数据的误差或点云数据的缺失的另一可能原因是多路径干扰。通常，来自投影仪28的光线照射表面32上的点并且在一定角度范围内散射。所散射的光被相机26的镜头42成像到光敏阵列38上的小点上。类似地，所散射的光可以被相机24的镜头46成像到光敏阵列44上的小点上。当到达表面32上的点的光不仅来自于投影仪28的光线而且此外来自从表面32的另一部分反射的二次光时，发生多路径干扰。这样的二次光会抵消由光敏阵列38、44接收的光的图案，从而妨碍了对点的三维坐标的精确确定。在本申请中参照图12描述了用于识别多路径干扰的存在的方法。
在框1266中，如果控制器确定点云没有问题，则过程完成。否则，则在框1268中确定在手动模式下还是在自动模式下使用扫描仪。如果模式是手动的，则在框1270中引导操作员将扫描仪移动到期望的位置。
存在有可以指示操作员所期望的移动的许多方式。在实施方式中，扫描仪本体上的指示光指示期望的移动方向。在另一实施方式中，将光投影至表面上来指示操作员要沿着其移动的方向。此外，投影的光的颜色可以指示扫描仪距对象是太近还是太远。在另一实施方式中，对操作员要将光投影至其上的区域的显示做出指示。这样的显示可以是点云数据的图形表示、CAD模型或二者的组合。显示可以被呈现在计算机监测器上或者被呈现在扫描仪设备中内置的显示器上。
在这些实施方式中的任何实施方式中，期望的是确定扫描仪的大致位置的方法。在一种情况下，扫描仪可以附接至关节臂CMM，该关节臂CMM使用其关节中的角度编码器来确定附接至其端部的扫描仪的位置和取向。在另一情况下，扫描仪包括放置在设备内的惯性传感器。惯性传感器可以包括例如陀螺仪、加速度计和磁力计。确定扫描仪的大致位置的另一方法是照射设置在对象上或对象周围的作为标记点的摄影测量点。以这种方式，扫描仪中的宽FOV相机可以确定扫描仪相对于对象的大致位置。
在另一实施方式中，计算机屏幕上的CAD模型指示期望附加测量的区域，并且操作员根据通过将对象上的特征与扫描仪上的特征相匹配来移动扫描仪。通过随着扫描的进行而更新屏幕上的CAD模型可以给操作员是否已测量了该部分的期望区域的快速反馈。
在操作员将扫描仪移动就位之后，在框1272中，使用小FOV相机24进行测量。在框1272中，通过观察相对较小的区域，改善了得到的三维坐标的分辨率并且提供了对特征(例如孔和边缘)进行表征的较好的能力。
因为窄FOV相机观看的区域与宽FOV相机相比相对较小，因此投影仪28可以照射相对较小的区域。这在消除多路径干扰方面具有优势，这是因为在对象上存在有可以将光反射回对象上的受照射的点相对较少。具有较小的受照射区域还可以使控制曝光更容易以获得对于被测对象的给定的反射率和入射角的最佳光量。在框1274中，如果所有点已被采集，则在框1276处过程结束，否则，则过程继续。
在实施方式中，在来自框1268的模式是自动的情况下，则在框1278中，自动机构将扫描仪移动到期望的位置。在一些实施方式中，自动机构将具有提供关于扫描仪和被测对象的相对位置的信息的传感器。对于其中自动机构是机器人的实施方式，机器人关节内的角度传感器提供关于用于保持扫描仪的机器人端部执行器的位置和取向的信息。对于其中由另一类型的自动机构移动对象的实施方式，线性编码器或者多种其他传感器可以提供关于对象与扫描仪的相对位置的信息。
在自动机构将扫描仪或对象移动就位后，则在框1280中，使用小FOV相机进行三维测量。借助于框1282重复这样的测量直到完成所有的测量为止，并且在框1284处过程结束。
在一个实施方式中，当扫描仪从使用第二相机26获取数据切换至使用第一相机24获取数据时，投影仪28改变结构光图案。在另一实施方式中，两个相机24、26使用相同的结构光图案。在又另一实施方式中，当由第一相机24获取数据时，投影仪28发射通过扫描线或扫描点形成的图案。在使用第一相机24获取数据之后，该处理使用第二相机26继续扫描。该处理继续进行直到操作员扫描完该部分的期望区域为止。
应当理解，虽然图2的处理被示出为线性处理或顺序处理，但是在其他实施方式中，可以并行执行所示出的步骤中的一个或更多个步骤。在图2中示出的方法中，涉及的方法首先测量整个对象，然后根据对所获取的点云数据的评估来实施进一步的详细测量。使用扫描仪20的替代方式以通过使用具有小FOV的相机24测量详细的或者临界区域来开始。
还应当理解，在现有扫描系统中常规的做法是，通过提供改变相机镜头或投影仪镜头的方式来作为改变扫描系统中的相机的FOV或投影仪的FOV的方式。然而，这样的改变是耗时的并且一般需要下述附加的补偿步骤，在该步骤中，人工制品(例如点板(dotplate))被放置在相机或投影仪的前面以确定对于相机或投影仪系统的像差校正参数。因此，提供具有不同的FOV的两个相机(例如图1的相机24、26)的扫描系统在测量速度方面以及实现用于全自动模式的扫描仪方面提供了显著的优势。
图3中示出了扫描仪20的另一实施方式，该扫描仪20具有壳体22，该壳体22包括第一坐标获取系统76和第二坐标获取系统78。第一坐标获取系统76包括第一投影仪80和第一相机82。与图1的实施方式类似，投影仪80将光84发射到对象34的表面32上。在示例性实施方式中，投影仪80使用照射图案生成器的可见光源。可见光源可以是激光、超发光二极管、白炽灯、发光二极管(LED)或其他发光器件。在一个实施方式中，图案生成器是其上蚀刻有结构光图案的镀铬玻璃载片。载片可以具有位置根据需要来回移动的单个图案或多个图案。载片可以被手动地或自动地安装在操作位置。在其他实施方式中，源图案可以是从数字微镜器件(DMD)反射的光或通过数字微镜器件透射的光，数字微镜器件为例如由德州仪器公司制造的数字光投影仪(DLP)、液晶器件(LCD)、硅基液晶(LCOS)器件或者在透射模式而不是反射模式中使用的类似的器件。投影仪80还可以包括镜头系统86，该镜头系统86改变出射光以具有期望的聚焦特性。
第一相机82包括光敏阵列传感器88，该光敏阵列传感器88生成传感器的视场内的区域90的数字图像/表示。传感器可以是例如具有像素阵列的电荷耦合器件(CCD)型传感器或者互补金属氧化物半导体(CMOS)型传感器。第一相机82还可以包括其他部件，例如，但不限于，镜头92和其他光学器件。第一投影仪80和第一相机82以固定关系成角度地布置，使得第一相机82可以检测从对象34的表面32反射的来自第一投影仪80的光85。应当理解，由于第一相机92和第一投影仪80以固定关系被布置，因此以上所讨论的三角原理可以用于确定区域90内的表面32上的点的坐标。虽然为了清楚起见，图3被描绘成第一相机82靠近第一投影仪80，但是应当理解，相机可以被放置在较靠近壳体22的另一侧。通过使第一相机82和第一投影仪80间隔更远，预期3D测量的精度可改善。
第二坐标获取系统78包括第二投影仪94和第二相机96。投影仪94具有光源，该光源可以包括激光，发光二极管(LED)、超发光二极管(SLED)、氙气灯或某些其他合适类型的光源。在实施方式中，镜头98用于将从激光光源接收的光聚焦成线状光100并且镜头98可以包括一个或更多个圆柱透镜或多种其他形状的透镜。因为在本文中镜头可以包括一个或更多个单个透镜或透镜组，因此镜头还被称为“镜头系统”。线状光基本上是直的，即，线的最大偏离约小于该线的长度的1％。实施方式可以利用的一种类型的透镜是棒形透镜。棒形透镜一般是以玻璃或者塑料制成的完整圆柱体的形状，该圆柱体的圆周被抛光，两个底被磨平。这样的透镜将通过棒的直径的准直光转变成线状。可以使用的另一类型的透镜是圆柱形透镜。该圆柱形透镜是具有局部圆柱的形状的透镜。例如，圆柱形透镜的一个表面可以是平坦的，而相对的表面是圆柱形式的。
在另一实施方式中，投影仪94生成覆盖表面32的区域的二维光图案。于是，结果坐标获取系统78被称为结构光扫描仪。
第二相机96包括传感器102，例如电荷耦合器件(CCD)型传感器或者互补金属氧化物半导体(CMOS)型传感器。第二相机96还可以包括其他部件，例如，但不限于，镜头104和其他光学器件。第二投影仪94和第二相机96成角度地布置使得第二相机96可以检测从对象34反射的来自第二投影仪94的光106。应当理解，由于第二投影仪94和第二相机96以固定关系被布置，因此以上所讨论的三角原理可以用于确定在由光100形成的线上的表面32上的点的坐标。还应当理解，相机96和投影仪94可以被定位在壳体22的相对侧上以提高3D测量精度。
在另一实施方式中，第二坐标获取系统被配置成投影多个图案，所述多个图案不仅可以包括固定的线状光而且可以包括扫描的线状光、扫描的点状光、编码的光图案(覆盖区域)或连续的光图案(覆盖区域)。每种类型的投影图案具有不同的优势，例如速度、精度以及抗多路径干扰性。通过评估对于每个特定的测量的性能要求和/或者通过审查返回的数据的特性或者预期的对象形状的特性(根据CAD模型或者根据基于所采集的扫描数据的3D重构)可以选择使性能最优化的投影图案的类型。
在另一实施方式中，从第二坐标获取系统78到对象表面32的距离不同于从第一坐标获取系统76到对象表面32的距离。例如，相机96可以被定位成与相机88相比更靠近对象32。以这种方式，第二坐标获取系统78的分辨率和精度可以相对于第一坐标获取系统76的分辨率和精度而有所改善。在许多情况下，有益的是，使用较低分辨率系统76快速地扫描相对大并且光滑的对象，然后，使用较高分辨率系统78扫描包括边缘和孔的细节。
可以在手动模式或自动模式下使用扫描仪20。在手动模式下，根据被使用的获取系统来提示操作员将扫描仪移动得离对象表面更近或更远。此外，扫描仪20可以投影光束或光图案以向操作员指示扫描仪要被移动的方向。可替代地，设备上的指示光可以指示扫描仪应当被移动的方向。在自动模式下，扫描仪20或对象34可以根据测量要求相对于彼此自动被地移动。
与图1的实施方式类似，第一坐标获取系统76和第二坐标获取系统78电耦接至设置在壳体22内的控制器50。控制器50可以包括一个或更多个微处理器、数字信号处理器、存储器和信号调理电路。扫描仪20还可以包括致动器(未示出)，该致动器可以被操作员手动地激活以启动由扫描仪20进行的操作和数据捕获。在一个实施方式中，确定表示对象34的表面32的点云的X，Y，Z坐标数据的图像处理由控制器50来执行。可以将坐标数据本地地储存在，例如，易失性存储器或非易失性存储器54中。存储器可以是可移除的，例如，闪存驱动器或存储卡。在其他实施方式中，扫描仪20具有通信电路52，该通信电路52使扫描仪20能够将坐标数据发送至远程处理系统56。扫描仪20与远程处理系统56之间的通信介质58可以是有线的(例如，以太网)或无线的(例如，蓝牙、IEEE802.11)。在一个实施方式中，由远程处理系统56来确定坐标数据并且扫描仪20将所获取的图像通过通信介质58进行传送。
现在参照图4，将描述操作图3的扫描仪20的方法1400。在框1402中，扫描仪20的第一坐标获取系统76的第一投影仪80将结构光图案发射到对象34的表面32的区域90上。来自投影仪80的光84从表面32反射并且所反射的光85被第一相机82接收。如上文所讨论的，表面32的表面轮廓的变化使由第一光敏阵列88接收的成像的光图案产生失真。由于图案是由结构光、线状光或点状光形成的，因此在一些情况下控制器50或远程处理系统56可以确定表面32上的点与光敏阵列88中的像素之间的一一对应关系。这使得在框1404中能够使用以上所讨论的三角测量原理来获得点云数据，这也就是说确定表面32上的点的X，Y，Z坐标。通过相对于表面32移动扫描仪20，可以创建整个对象34的点云。
在框1406中，控制器50或远程处理系统56确定点云数据是拥有期望的数据质量属性还是存在潜在问题。在上文中参照图2讨论了可能发生的问题的类型，因此在此处不再重复该讨论。在框1406中，如果控制器确定点云具有期望的数据质量属性，则过程结束。否则，则在框1408中确定是在手动模式下还是在自动模式下使用扫描仪。如果模式是手动的，则在框1410中引导操作员将扫描仪移动到期望的位置。
如在上文中参照图2描述的那样，存在有指示操作员所期望的移动的数种方式。此处不再重复该讨论。
为了引导操作员获得期望的移动，需要确定扫描仪的大致位置的方法。如参照图2说明的那样，所述方法可以包括将扫描仪20附接至关节臂CMM、使用扫描仪20内的惯性传感器、照射摄影测量点或者匹配显示的图像的特征。
在操作员将扫描仪移动就位之后，在框1412中，使用第二坐标获取系统78进行测量。通过使用第二坐标获取系统，可以提高分辨率和精度或者可以消除问题。在框1414中，如果所有点已被采集，则在框1416处过程结束，否则，则过程继续进行。
如果来自框1408的操作的模式是自动的，则在框1418中，自动机构将扫描仪移动到期望的位置。在大多数情况下，自动机构将具有提供关于扫描仪与被测对象的相对位置的信息的传感器。对于自动机构是机器人的情况，机器人关节内的角度传感器提供关于被用于保持扫描仪的机器人端部执行器的位置和取向的信息。对于其他类型的自动机构，线性编码器或者多种其他传感器可以提供关于对象与扫描仪的相对位置的信息。
在自动机构已将扫描仪或对象移动就位之后，则在框1420中，使用第二坐标获取系统78进行三维测量。借助于框1422重复这样的测量直到完成所有的测量为止。在框1424处，过程结束。
应当理解，虽然图4的处理被示出为线性处理或顺序处理，但是在其他实施方式中，可以并行执行所示出的步骤中的一个或更多个步骤。在图4中示出的方法中，涉及的方法首先测量整个对象，然后根据对所获取的点云数据的评估来实施进一步详细的测量。使用扫描仪20的替代方式以通过使用第二坐标获取系统78测量详细的或者测量临界区域来开始。
还应当理解，在现有扫描系统中常规的做法是，通过提供改变相机镜头或投影仪镜头的方式作为改变扫描系统中的相机的FOV或投影仪的FOV的方式。然而，这样的改变是耗时的并且一般需要下述附加的补偿步骤，在该步骤中，人工制品(例如点板)被放置在相机或投影仪的前面以确定对于相机或投影仪系统的像差校正参数。因此，提供两个不同的坐标获取系统的系统，例如图3的扫描系统20，在测量速度方面以及实现全自动模式的扫描仪方面提供了显著的优势。
由于多路径干扰，在进行扫描仪测量中会发生错误。现在讨论多路径干扰的起源，并且描述用于消除或者减小多路径干扰的第一方法。
当照射对象表面的光中的一些光在返回相机之前首先从对象的另一表面散射时发生多路径干扰的情况。对于对象上的接收该散射光的点而言，被发送至光敏阵列的光则不仅与从投影仪直接投影的光对应而且还与被发送至投影仪上的不同点并且从对象散射的光对应。多路径干扰的结果，尤其对于投影二维(结构)光的投影仪的情况而言，会使所计算的从投影仪到所述点处的对象表面的距离不准确。
参照图5A图示多路径干扰的情况，在该实施方式中，扫描仪4570将线状光4525投影至对象的表面4510A上。线状光4525与纸面垂直。在实施方式中光敏阵列的行与纸面平行并且光敏阵列的列与纸面垂直。每行表示在与纸面垂直的方向上的投影的线4525上的一个点。首先通过计算针对每行的质心找到针对线上的所述点的从投影仪至对象的距离。对于表面点4526，光敏阵列4541上的质心由点4546表示。光敏阵列上的质心的位置4546可以用于计算从相机视角中心4544到对象点4526的距离。该计算是基于根据三角测量原理的三角关系的。为了执行这些计算，需要从相机视角中心4544到投影仪视角中心4523的基线距离D。此外，需要知道投影仪系统4520相对于相机系统4540的取向。
为了理解由多路径干扰引起的误差，考虑点4527。从该点反射或散射的光被镜头4542成像至光敏阵列4541上的点4548。然而，除了直接接收的来自投影仪的并且从点4527散射的光以外，另外的光在被成像到光敏阵列上之前从点4526反射到点4527。所述光将很可能被散射至非预期的位置并且使得在给定行中形成两个质心。因此，观察到给定的行上的两个质心是存在多路径干扰的良好指示器。
对于结构光被投影至对象表面的区域上的情况，来自点例如4527的二次反射通常没有投影至线上的光明显，因此更可能在所测量的3D表面坐标中产生误差。
通过使用在显示元件4521上具有可调节的照射图案的投影仪可以改变照射的图案。显示元件4521可以是数字微机械镜(DMM)，例如数字光投影仪(DLP)。这样的器件包括借助于电信号能够快速地调节以快速地调节照射的图案的多个小镜。可以产生电可调节显示图案的其他装置包括LCD(液晶显示器)和LCOS(硅基液晶)显示器。
检查在将结构光投影在区域上的系统中的多路径干扰的方式是改变显示器以投影线状光。行中多个质心的存在将指示出多路径干扰的存在。通过扫描线状光，可以覆盖区域而无需由操作员移动探针。
可以由电可调节的显示器将线状光设置成任何期望的角度。通过改变投影的线状光的方向，在许多情况下，可以消除多路径干扰。
对于具有许多褶皱和陡峭的角度使得很难避免反射的表面而言，可以使用电可调节的显示器来扫描点状光。在一些情况下，二次反射可以从单个点状光产生，但是通常相对易于确定反射的光点中的哪个光点是有效的。
电可调节的显示器还可以用于在编码的图案与未编码的图案之间快速地切换。在大多数情况下，编码的图案用于基于单帧相机信息来进行3D测量。另一方面，多个图案(连续的或未编码的图案)可以用于获得所测量的3D坐标值的较大的精度。
过去，电可调节的显示器已用于投影连续图案内的一系列图案中的每个图案，例如，一系列灰度线图案之后跟随一系列正弦图案，每个正弦图案具有不同的相位。
本发明方法在选择下述这些方法方面提供了优于早先的方法的优势：识别或者消除例如多路径干扰的问题的方法以及指示是优选单投射图案(例如，编码的图案)还是优选多投射图案以尽可能快地获取要求的精度的方法。
对于线扫描仪的情况而言，一般存在有确定多路径干扰的存在的方式。当不存在多路径干扰时，由对象表面上的点反射的光以单行的形式被成像至邻近的像素的区域上。如果一行中存在有两个或更多个区域接收大量的光，则多路径干扰被指示。图5A中示出了这样的多路径干扰状况以及所得的光敏阵列上额外的照射区域的示例。现在表面4510A在交点4526附近具有较大的曲率。在该交点处的表面法线是线4528，并且入射角是4531。根据与入射角相等的反射角4532可以找到反射的线状光4529的方向。如上文所述，线状光4529实际上表示在一定角范围中散射的光的全部方向。散射光的中心照射在表面4510A的点4527处，其被镜头4544成像在光敏阵列上的点4548处。在点4548的附近接收的不期望的大量的光指示出可能存在多路径干扰。对于线扫描仪而言，对多路径干扰的主要关注不是图5A所示的情况——在图5A中，两个点4546和4527分开相当大的距离并且可以被分别分析——而是主要关注其中两个点交叠或拖尾(smear)在一起的情况。在这种情况下，可能不能够确定与期望的点对应的质心，该质心在图15E中与点4546对应。如可以再次参照图5A所理解的，对于在二维区域上投影光的扫描仪的情况而言问题会更严重。如果成像至光敏阵列4541上的所有光都需要确定二维坐标，则清楚的是点4527处的光会与从投影仪直接投影的期望的光的图案以及从对象表面反射到点4527的不想要的光对应。结果，在这种情况下，对于投影在区域上的光而言，针对点4527很可能计算错误的三维坐标。
对于投影的线状光而言，在许多情况下，可以通过改变线的方向来消除多路径干扰。一种可能性是使线扫描仪使用具有固有的二维能力的投影仪，从而能够扫线或者能够将线自动地旋转到不同的方向。这样的投影仪的示例是使用如上文所讨论的数字微镜(DMD)的投影仪。例如，如果在使用结构光获得的特定扫描中推测到多路径干扰，则测量系统可以自动地被配置成切换至使用扫描的线状光的测量方法。
减小、最小化或消除多路径干扰的另一方法是在已指示出多路径干扰的这些区域上扫描点状光，而不是线状光或区域状光。通过照射单个点状光，一般可以容易地识别从二次反射散射的任何光。
确定由电可调节的显示器投影的期望图案受益于如下文参照图12描述的诊断分析。
除了其在诊断以及校正多路径干扰方面的用途以外，改变投影的光的图案还在以最短时间获得需要的精度和分辨率方面提供了优势。在实施方式中，首先通过将编码的光图案在单次投射中投影至对象上来执行测量。使用采集的数据来确定表面的三维坐标，并且对结果进行分析以确定一些区域是否具有需要更详细分析的孔、边缘或特征。这样的详细的分析可以例如通过使用图1中的窄FOV相机24或者图3中的高分辨率扫描仪系统78来执行。
还对坐标进行分析以确定到目标的大致距离，从而提供用于更精确的测量方法(例如如上文中所讨论的，将正弦相移的光图案连续地投影至表面上的方法)的起始距离。使用编码的光图案获得对于表面上的每个点的起始距离无需通过改变多个正弦相移扫描中的间隔来获得这样的信息，从而节省了大量的时间。
现在参照图5B，其示出了用于克服由扫描仪20获取的坐标数据中的异常或提高由扫描仪20获取的坐标数据的精度的实施方式。在框212中，处理211以通过使用扫描仪20扫描对象(例如对象34)来开始。扫描仪20可以是例如在图1、图3、图5以及图7的实施方式中描述的具有至少一个投影仪和相机的扫描仪。在该实施方式中，在框212中，扫描仪20将第一光图案投影至对象上。在一个实施方式中，该第一光图案是编码的结构光图案。在框214中，处理211获取并且确定三维坐标数据。在询问框216中对坐标数据进行分析以确定是否存在有任何异常，例如上述的多路径干扰、元素周围的低分辨率或者由于表面角度或表面反射率变化引起的数据的缺失。当检测到异常时，处理211进行到框218，在框218中，将由投影仪发射的光图案改变至第二光图案。在实施方式中，第二光图案是扫描的线状光。
在投影第二光图案之后，处理211进行到框220，在框220中，获取并且确定检测到异常的区域的三维坐标数据。处理211循环返回询问框216，在询问框216中，确定异常是否已解决。如果询问框216仍然检测到异常或缺失或精度或分辨率，则处理循环返回框218并且切换至第三光图案。在实施方式中，第三光图案是连续的正弦相移图案。在另一实施方式中，第三光图案是扫描的点状光。该迭代过程继续进行直到异常解决为止。当确定了来自异常的区域的坐标数据时，处理211进行到框222，在框222中，将发射的图案切换回第一结构光图案并且继续扫描处理。处理211继续进行直到操作员扫描完对象的期望区域为止。在使用图11的方法获得的扫描信息不能令人满意的情况下，可以使用如本文所讨论的用接触式探针测量的问题。
现在参照图6，其示出了安装至可移动装置120的扫描仪20的另一实施方式。扫描仪20具有至少一个投影仪122和至少一个相机124，至少一个投影仪122和至少一个相机124以固定几何关系被布置，使得可以使用三角原理来确定表面32上的点的三维坐标。扫描仪20可以是与例如参照图1至图3所描述的扫描仪相同的扫描仪。在一个实施方式中，扫描仪是与图10中具有接触式探针的扫描仪相同的扫描仪。然而，在图6的实施方式中使用的扫描仪可以是任何扫描仪，例如结构光扫描仪或线扫描仪，例如，在2006年1月18日提交的题为“PortableCoordinateMeasurementMachinewithIntegratedLineLaserScanner(具有集成式线激光扫描仪的便携式坐标测量机)”的共同拥有的美国专利No.7,246,030中公开的扫描仪，该美国专利No.7,246,030通过引用被并入本文。在另一实施方式中，在图6的实施方式中使用的扫描仪是在对象上的区域上投影光的结构光扫描仪。
在示例性实施方式中，可移动装置120是机器人装置，该机器人装置借助于由枢轴和旋转接头130连接的臂段126、128来提供自动移动以使得臂段126、128能够移动，导致扫描仪20从第一位置移动至第二位置(如图6中的虚线所指示的那样)。可移动装置120可以包括耦接至臂段126、128以将臂段126、128从第一位置移动至第二位置的致动器，例如电机(未示出)。应当理解，具有关节臂的可移动装置120是为了示例的目的而要求保护的本发明不应限于此。在其他实施方式中，扫描仪20可以安装至经由例如轨道、轮子、线路、带子或线缆或者前述的组合来移动扫描仪20的可移动装置。在其他实施方式中，机器人具有不同数目的臂段。
在一个实施方式中，可移动装置是关节臂坐标测量机(AACMM)，例如在2010年1月20日提交的共同拥有的美国专利申请序列号13/491,176中所描述的关节臂坐标测量机。在该实施方式中，扫描仪20从第一位置到第二位置的移动可以包括操作员手动地移动臂段126、128。
对于具有自动装置的实施方式而言，可移动装置120还包括控制器132，该控制器132被配置成激励致动器以移动臂段126、128。在一个实施方式中，控制器132与控制器134通信。如下文将更加详细的讨论的那样，该布置使得控制器132能够响应于获取的数据中的异常来移动扫描仪20。应当理解，控制器132、控制器134可以被包含到单个处理单元中或者其功能可以分布在数个处理单元之中。
通过进行参照图12的分析，可以定位并且定向扫描仪20以获得期望的测量结果。在一些实施方式中，被测量的特征可以受益于扫描仪的期望的方向。例如，可以通过将扫描仪相机124定向为与孔近似垂直来改善对孔的直径的测量。在其他实施方式中，可以定位扫描仪以减小或最小化多路径干扰的可能性。这样的分析可以基于可用作诊断过程的一部分的CAD模型或者这样的分析可以基于在通过装置120对扫描仪20的第二移动之前由在初始位置的扫描仪采集的数据。
现在参照图7，将描述扫描仪20和可移动装置120的操作。在框136中，处理以使用处于第一位置的扫描仪20扫描对象34来开始。在框138中，扫描仪20获取并且确定对象34的表面32上的点的坐标数据。应当理解，可移动装置120可以移动扫描仪20以获取关于期望的区域中的表面点的数据。在询问框140中，确定在点142处的坐标数据中是否存在有异常，例如多路径干扰，或者是否需要改变方向以获得改善的分辨率或测量精度。应当理解图6的点142可以表示表面32上的单个点、点的线或区域。如果检测到异常或者检测到需要提高的精度，则处理继续进行到框144，在框144中，可移动装置120移动扫描仪20的位置例如从第一位置移动到第二位置，并且在框146中重新扫描所关注的区域以获取三维坐标数据。处理循环返回询问框140，在询问框140中，确定在坐标数据中是否仍然存在异常或者是否期望改善测量精度。在这些情况下，再次移动扫描仪20并且处理继续进行直到测量结果达到期望的水平为止。当获得了坐标数据时，处理从询问框140进行到框148，在框148中，扫描处理继续进行直到已扫描完期望的区域为止。
在其中扫描仪20包括接触式探针的实施方式(图10)中，扫描仪从第一位置到第二位置的移动可以被布置成用接触式探针接触所关注的区域。由于扫描仪的位置以及因此得到的接触式探针的位置可以根据臂段126、128的位置和取向来确定，所以可以确定表面32上的点的三维坐标。
在一些实施方式中，由图8A、图8B的扫描仪20获得的测量结果可能被多路径干扰损坏。在其他情况下，测量结果可能没有提供期望的分辨率或精度以正确地测量表面32尤其是边缘、孔或复杂的特征的一些特性。在这些情况下，可能期望操作员使用远程探针152来探测(interrogate)表面32上的点或区域。在图8A、图8B中示出的一个实施方式中，扫描仪20包括投影仪156以及相机154、155，相机154、155相对于投影仪156成角度地布置，使得由投影仪156发射的光从表面32反射并且由相机154、155中的一个或由相机154、155二者接收。扫描仪156和相机154、156以固定几何关系被布置，使得可以使用三角原理来确定表面32上的点的三维坐标。
在一个实施方式中，如图8A所示，投影仪156被配置成将可见光157发射到对象34的表面32上的所关注区域159。可以使用受照射的区域159在相机154、155中的一个或相机154、155二者上的图像来确认所关注的受照射的区域159的三维坐标。
扫描仪20被配置成与远程探针152协作，使得操作员可以将探针末端166与所关注的受照射的区域159处的对象表面132接触。在实施方式中，远程探针152包括至少三个非共线的光点168。光点168可以是例如由发光二极管(LED)产生的光点或者受来自投影仪156或者来自在图8B中未描绘的另一光源的红外光源或可见光源照射的反射光点。在这种情况下的红外光源或可见光源可以被附接至扫描仪20或者可以被定位在扫描仪20的外部。通过使用扫描仪确定光点168的三维坐标并且通过使用关于探针152的几何形状的信息，可以确定探针末端166的位置，从而使得能够确定对象表面32的坐标。以这种方式使用的接触式探针消除了来自多路径干扰的潜在问题并且还使得能够进行对孔、边缘以及详细特征的相对精确的测量。在实施方式中，探针166是接触式探针，该接触式探针可以通过按压探针上的致动器按钮(未示出)来激活，或者探针166可以是通过与表面32接触而被激活的接触触发式探针。响应于由致动器按钮或接触触发式探针产生的信号，通信电路(未示出)向扫描仪20发送信号。在实施方式中，光点168用可以包括直线或曲线的几何图案的光来代替。
现在参照图9，其示出了用于使用图8A、图8B的固定式扫描仪20和远程探针152来获取对象34的表面32上的点的坐标数据的处理。在框170中，处理以扫描对象34的表面32来开始。在框172中，处理获取并且确定表面32的三维坐标数据。然后，在询问框174中，处理确定在区域159的坐标数据中是否存在有异常或者在区域159的精度或分辨率方面是否存在有问题。例如，异常可以是由于多路径干扰而引起的被丢弃的无效的数据。异常还可能是由于表面反射率或者在特征(例如，开口或孔)周围的分辨率不足而引起的丢失数据。参照图12给出了关于用于检测(识别)多路径干扰和相关问题的诊断过程的细节。
当区域159已经被识别时，在框176中扫描仪20向操作员指示可以经由远程探针152来获取区域159的坐标数据。可以通过发射可见光157来照射区域159以指示该区域159。在一个实施方式中，光157是由投影仪156发射的。可以改变光157的颜色来通知操作员异常或问题的类型。例如，当多路径干扰发生时，光157可以是红色，而低分辨率时，光157可以是绿色。还可以在具有对象的图形表示(例如，CAD模型)的显示器上指示区域。
然后，处理进行至框178以在传感器166接触表面32时获取远程探针152的图像。相机154、155中的一个相机接收可以是例如LED或反射性目标的光点168。在框180中扫描仪20使用数学上公知的最佳拟合技术来确定探针中心的三维坐标，在框180中根据探针中心的三维坐标来确定对象表面32的三维坐标。当其中检测到异常的区域159中的点已被获取时，处理可以进行至在框182中继续扫描对象34直到已扫描完期望的区域为止。
现在参照图10，其示出了在操作期间可以由操作员手持的扫描仪20的另一实施方式。在该实施方式中，壳体22可以包括把手186，该把手186使得操作员在操作期间能够握住扫描仪20。壳体22包括投影仪188和相机190，投影仪188和相机190相对于彼此成角度地布置，使得由投影仪发射的光192从表面32反射并且由相机190接收。图10的扫描仪20以与图1和图3的实施方式基本上相似的方式进行操作，并且使用三角原理来获取表面32上的点的三维坐标数据。
扫描仪20还包括整体探针构件184。探针构件184在一端上包括传感器194。传感器194是例如可以响应于操作员按压致动器按钮(未示出)的接触式探针或者传感器194可以是例如响应于与表面32的接触的接触触发式探针。如下文将更详细的讨论的那样，探针构件184使得操作员能够通过将传感器194与表面32接触来获取表面32上的点的坐标。
投影仪188、相机190以及用于传感器194的致动器电路电耦接至设置在壳体22内的控制器50。控制器50可以包括一个或更多个微处理器、数字信号处理器、存储器和信号调理电路。扫描仪20还可以包括例如在把手186上的致动器(未示出)，该致动器可以被操作员手动地激活以启动由扫描仪20进行的操作和数据捕获。在一个实施方式中，确定表示对象34的表面32的点云的X，Y，Z坐标数据的图像处理由控制器50来执行。可以将坐标数据本地地储存在例如易失性存储器或非易失性存储器54中。存储器可以是可移除的，例如，闪存驱动器或存储卡。在其他实施方式中，扫描仪20具有通信电路52，该通信电路52使扫描仪20能够将坐标数据发送至远程处理系统56。扫描仪20与远程处理系统56之间的通信介质58可以是有线的(例如，以太网)或无线的(例如，蓝牙，IEEE802.11)。在一个实施方式中，由远程处理系统56确定坐标数据并且扫描仪20将获取的图像通过通信介质58进行传送。
现在参照图11，将描述图10的扫描仪20的操作。在框196中，处理以操作员通过手动地移动扫描仪20扫描对象34的表面32来开始。在框198中确定并且获取三维坐标。在询问框200中，确定在坐标数据中是否存在异常或者是否需要提高精度。如以上所讨论的那样，因为许多原因，例如，多路径干扰、表面反射率变化或者特征的低分辨率，所以会发生异常。如果存在异常，则处理进行至框202，在框202中，向操作员指示区域204。可以通过用投影仪188将可见光192投影至表面32上来指示区域204。在一个实施方式中，使光192带有颜色以通知操作员检测到的异常的类型。
然后，在框206中，操作员将扫描仪从第一位置移动至(由虚线指示的)第二位置。在第二位置，传感器194接触表面32。可以使用公知的最佳拟合方法基于由相机190获取的图像来确定在第二位置的扫描仪20的位置和取向(6个自由度)。由于已知传感器194的尺寸和布置与扫描仪20的机械结构相关，因此可以在框208中确定区域204中的点的三维坐标数据。然后，处理进行至框210，在框210中，继续扫描对象。继续进行扫描处理直到已扫描完期望的区域为止。
一种通用的方法不仅可以用于评估多路径干扰而且还可以用于总体上评估质量，包括分辨率和材料类型的影响、表面质量以及几何形状。还参照图12，在实施方式中，方法4600可以在计算机的控制下被自动地实施。步骤4602是确定关于被测对象的三维坐标的信息是否可用。第一种类型的三维信息是CAD数据。CAD数据通常指示被测对象的标称尺寸。第二种类型的三维信息是所测量的三维数据，例如用扫描仪或其他设备先前测量的数据。在一些情况下，步骤4602可以包括另外的步骤：将坐标测量设备(例如激光跟踪仪或6-DOF扫描仪配件)的参照系与对象的参照系对准。在实施方式中，这通过使用激光跟踪仪测量对象的表面上的至少三个点来完成。
如果对步骤4602中提出的问题的回答是三维信息可用，则在步骤4604中，计算机或处理器用于计算对象测量对多路径干扰的敏感性。在实施方式中，这通过投影由扫描仪投影仪发射的每个光线并且针对每种情况计算角度或反射来完成。计算机或软件识别对象表面的易受由于多路径干扰引起的误差的影响的每个区域。步骤4604还可以针对6-DOF探针相对于被测对象的多个位置实施对多路径误差的敏感性的分析。在一些情况下，如上文所讨论的那样，可以通过选择6-DOF探针相对于被测对象的合适的位置和取向来避免或者最小化多路径干扰。如果对步骤4602中提出的问题的回答是三维信息不可用，则步骤4606使用任何期望的或优选的测量方法来测量对象表面的三维坐标。在计算多路径干扰之后，可以实施步骤4608以评估预期的扫描质量的其他方面。一个这样的质量因子是对于被测对象的特征扫描的分辨率是否足够。例如，如果设备的分辨率是3mm并且存在对其期望有效的扫描数据的亚毫米特征，则应该记录对象的这些问题区域以用于随后的纠正动作。与分辨率部分相关的另一质量因子是测量对象的边缘和孔的边缘的能力。对扫描仪性能的了解将使得能够确定对于给定的边缘而言扫描仪的分辨率是否足够良好。另一质量因子是预期从给定的特征返回的光的量。可以预期从例如小孔的内部或者从掠射角返回到扫描仪的光(如果存在的话)是少量的。此外，可以预期来自特定类型和特定颜色的材料的光是少量的。特定类型的材料可以使来自扫描仪的光具有大的穿透深度，并且在这种情况下将不预期好的测量结果。在一些情况下，自动程序可以请求用户补充信息。例如，如果计算机程序基于CAD数据实施步骤4604和步骤4608，则其可能不知道被测对象使用的材料的类型或者表面特性。在这些情况下，步骤4608可以包括获得被测对象的材料特性的进一步的步骤。
在步骤4604和步骤4608的分析之后，步骤4610决定是否应该实施进一步诊断过程。可能的诊断过程的第一示例是在步骤4612中以优选角度投影条纹以记录是否观察到多路径干扰。在上文参照图5讨论了对于投影的线状条纹的多路径干扰的通用指示。诊断步骤的另一示例是步骤4614，步骤4614是投射在光的源图案上的极线的方向上对准的线的集合，该源图案例如是来自图1中的投影仪36的光的源图案30。对于其中光的源图案中的线状光与极线对准的情况，这些线将在光敏阵列上的像面中看起来是直线。在2012年4月11日提交的共同拥有的美国专利申请No.13/443,946中更详细地讨论了极线的用途，该美国专利申请No.13/443,946的内容通过引用被并入本文。如果光敏阵列上的这些图案不是直线或者如果线是模糊的或者有噪声，则指示可能是由于多路径干扰引起的问题。
步骤4616是基于所执行的分析和诊断过程来选择优选的动作的组合。如果速度在测量中特别重要，则使用编码的光的2D(结构)图案进行测量的步骤4618可以是优选的。如果更大的精度更加重要，则使用利用连续的图案的编码的光的2D(结构)图案——例如一系列变化相位和间距的正弦图案——测量的步骤4620可以是优选的。如果选择了方法4618或方法4620，则可以期望也选择步骤4628，步骤4628是重新定位扫描仪，换言之是将扫描仪的位置和取向调节到如通过步骤4604的分析所提供的使多路径干扰和镜面反射(闪烁)最小化的位置。可以通过使用来自扫描仪投影仪的光照射问题区域或者将这样的区域显示在监测器显示器上来向用户提供这样的指示。可替代地，可以由计算机或处理器自动地选择测量过程中的下一步骤。如果优选的扫描仪的位置未消除多路径干扰和闪烁，则数个选项可用。在一些情况下，可以通过将扫描仪重新定位以及将有效测量结果组合来进行重复测量。在其他情况下，可替代的测量步骤可以被添加至过程或者可以取代使用结构光而被执行。如以上所讨论的那样，扫描条纹光的步骤4622在获取关于区域的信息方面提供了下述方便：减少了存在来自多路径干扰的问题的可能性。在关注的区域上扫描小光点的步骤4624进一步降低了来自多路径干扰的问题的可能性。使用接触式探针测量对象表面的区域的步骤消除了多路径干扰的可能性。接触式探针基于探针末端的大小来提供已知的分辨率，并且接触式探针消除了会在一些被测对象中出现的光的反射率低或光学穿透深度大的问题。
在大多数情况下，可以在步骤4630中基于从测量获得的数据结合先前实施的分析的结果来评估在步骤4618至步骤4628的组合中采集的数据的质量。如果在步骤4632中发现质量是可接受的，则在步骤4634完成测量。否则，则在步骤4604重新开始分析。在一些情况下，3D信息可能不会如所期望的那么精确。在这种情况下，重复之前的步骤中的一些步骤会是有益的。
虽然仅结合有限数量的实施方式已详细描述了本发明，但是应当容易理解，本发明不局限于这些公开的实施方式。相反地，可以修改本发明以并入此前未描述过的任何数量的变型、变化、替代或等效布置，但这要与本发明的精神和范围相匹配。此外，虽然已描述了本发明的各种实施方式，但应当理解，本发明的各方面可以仅包括所描述的实施方式中的一些实施方式。因此，本发明不被视为受前述描述所限制，而仅受所附权利要求的范围所限制。

Claims (8)

1.一种确定对象的表面上的点的三维(3D)坐标的对象测量的方法，所述方法包括：
提供远程探针，所述远程探针具有探针末端和至少三个非共线目标点，所述探针末端为球形，所述球形具有球心，所述目标点具有所述目标点的3D坐标的目标集合；
提供3D坐标测量设备，所述3D坐标测量设备包括投影仪和相机，所述投影仪和所述相机相对于彼此固定，在所述投影仪与所述相机之间存在有基线距离，所述投影仪包括光源，所述光源被配置成发射具有多个图案中的任何图案的投影光，所述相机包括镜头和光敏阵列，所述相机具有相机视场，所述镜头被配置成将所述投影光的在所述相机视场内的反射的部分成像到所述光敏阵列上并且产生电信号作为响应；
提供处理器，所述处理器电耦接至所述投影仪和所述相机；
通过所述处理器从所述多个图案中选择第一图案；
在第一情况下，将具有所述第一图案的第一投影光从所述投影仪发射至所述表面上；
将所述第一投影光的一部分反射到所述相机中作为第一反射光；
使用所述镜头在所述光敏阵列上形成所述第一反射光的第一图像并且产生第一电信号作为响应；
使用所述处理器来确定所述表面上的第一点的3D坐标的第一集合，所述第一集合至少部分地基于所述第一图案、所述第一电信号以及所述基线距离；
使用所述处理器来确定对象测量对多路径干扰的第一敏感性，所述第一敏感性至少部分地基于下述仿真：其中所述处理器将第一光线从所述投影仪投影至所述第一点并且针对对应的第一光线中的每个第一光线计算从所述第一点中的每个第一点反射的角度；
使用所述处理器从所述多个图案中选择第二图案以及所述表面上的第一位置，所述第二图案和所述第一位置至少部分地基于所述第一敏感性；
在第二情况下，将具有所述第二图案的第二投影光从所述投影仪发射至所述第一位置处的表面上；
响应于所述第二投影光，由操作员移动所述远程探针并且使所述探针末端与邻近所述第一位置的表面接触，当所述探针末端与所述表面接触时，所述探针末端具有第一球心；
照射所述目标点；
使用所述镜头在所述光敏阵列上形成受照射的目标点的第二图像并且产生第二电信号作为响应；
确定所述第一球心的第二3D坐标，所述第二3D坐标至少部分地基于所述第二图像、所述目标集合以及所述基线距离；以及
储存所述第二3D坐标。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
在提供所述远程探针的步骤中，所述目标点是回射点；以及
在照射所述目标点的步骤中，所述目标点由第三投影光来照射。
3.根据权利要求1所述的方法，其中：
在提供所述远程探针的步骤中，所述目标点是光源；以及
在照射所述目标点的步骤中，通过给所述目标点提供电力来照射所述目标点。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，在提供所述远程探针的步骤中，所述远程探针还包括电池，所述电池被配置成给所述目标点提供电力。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，在提供所述远程探针的步骤中，所述光源是发光二极管(LED)。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，使用所述处理器来确定对象测量对多路径干扰的第一敏感性的步骤还包括：确定所述第一光线中的至少一个与所述表面的第一部分相交，所述表面的所述第一部分是所述表面的在所述相机视场内的那部分。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括下述步骤：
将3D坐标的所述第一集合与所述第二3D坐标组合成3D坐标的第三集合；
至少部分地基于多路径敏感性来消除3D坐标的所述第三集合的一部分以获得3D坐标的第四集合；以及
储存3D坐标的所述第四集合。
8.一种确定对象的表面上的点的三维(3D)坐标的对象测量的方法，所述方法包括：
提供远程探针，所述远程探针具有探针末端和至少三个非共线目标点，所述探针末端为球形，所述球形具有球心，所述目标点具有所述目标点的3D坐标的目标集合；
提供3D坐标测量设备，所述3D坐标测量设备包括投影仪和相机，所述投影仪和所述相机被彼此相关地固定，在所述投影仪与所述相机之间存在有基线距离，所述投影仪包括光源，所述光源被配置成发射具有多个图案中的任何图案的投影光，所述相机包括镜头和光敏阵列，所述相机具有相机视场，所述镜头被配置成将所述投影光的在所述相机视场内的反射的部分成像到所述光敏阵列上并且产生电信号作为响应；
提供处理器，所述处理器电耦接至所述投影仪和所述相机；
提供所述对象的CAD模型，所述CAD模型被配置成提供用于确定所述对象的所述表面的3D表示的计算机可读信息；
提供具有计算机可读指令的计算机可读介质，所述计算机可读指令当由所述处理器执行时至少部分地基于所述CAD模型来计算所述表面上的点的3D坐标；
使用所述处理器来确定所述表面上的第一点的3D坐标的第一集合，所述第一集合至少部分地基于所述CAD模型中的所述计算机可读信息；
使用所述处理器来确定对象测量对多路径干扰的第一敏感性，所述第一敏感性至少部分地基于下述仿真：其中所述处理器将第一光线从所述投影仪投影至所述第一点并且针对对应的第一光线中的每个第一光线计算从所述第一点中的每个第一点反射的角度；
使用所述处理器从所述多个图案中选择第一图案以及所述表面上的第一位置，所述第一图案和所述第一位置至少部分地基于所述第一敏感性；
将具有所述第一图案的第一投影光从所述投影仪发射至所述第一位置处的表面上；
响应于所述第一投影光，由操作员移动所述远程探针并且使所述探针末端与邻近所述第一位置的表面接触，当所述探针末端与所述表面接触时，所述探针末端具有第一球心；
照射所述目标点；
使用所述镜头在所述光敏阵列上形成受照射的目标点的第一图像并且产生第一电信号作为响应；
确定所述第一球心的第一3D坐标，所述第一3D坐标至少部分地基于所述第一图像和所述目标集合；
通过所述处理器从所述多个图案中选择第二图案；
将具有所述第二图案的第二投影光从所述投影仪发射至所述表面上；
将所述第二投影光的一部分反射到所述相机中作为第二反射光；
使用所述镜头在所述光敏阵列上形成所述第二反射光的第二图像并且产生第二电信号作为响应；
使用所述处理器来确定所述表面上的第二点的3D坐标的第二集合，所述第二集合至少部分地基于所述第二图案、所述第二电信号以及所述基线距离；
将3D坐标的所述第二集合与所述第一3D坐标组合成3D坐标的第三集合；
至少部分地基于多路径敏感性来消除3D坐标的所述第三集合的一部分以获得3D坐标的第四集合；以及
储存3D坐标的所述第四集合。
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