CN1066259C - 扫描装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种扫描装置，其包括把两维光学图形投影到扫描物体表面(35)上的器件(40)和一个两维光电检测器(34’)，该扫描装置被装到手持扫描器件中，该扫描装置输出物体重叠表面区的三维坐标数据文件。通过计算机中的适当转动和平移，可以将由这些扫描文件确定的表面部分记录下来，所述的转动和平移是根据陀螺仪(51)和加速度计(50)的输出确定的，或是通过表面部分的数学处理例如共同特征的检测和定位来确定。

Description

扫描装置和方法
本发明涉及一种用于确定一个物体的形状、尺寸或其它三维表面特性，例如颜色等的扫描装置和方法。
一些专利和公开的专利申请披露了利用扫描激光束或类似技术来确定物体形状的光学扫描系统。通常，这类系统采用固定安装的扫描系统并用光三角测量法来测定深度信息。例如这种系统包括US-4627734(Rex)，EP-B-233920(Addleman)和WO94/15173(Crampton)。
对用来测定形状或其它表面特性的扫描器的要求是其可以手持。就我们所知，目前只有一种这样的系统，其公开在US-5198877(Schulz)和它的同族EP-A-553266中。
Schulz系统需要一个在外部建立的、且由光电检测器阵列确定的坐标系，光电检测器检测扫描器上的指示灯阵列。因此只能在坐标系内使用扫描器，而且必须将指示灯阵列保持在光电检测器阵列的视野内，这样实际上限制了扫描器的灵活性。这是一个比较严重的缺陷，因为通常需要从待研究物体的所有侧面上进行扫描以便建立物体表面的完整图象。
本发明的目的是提供一种扫描装置和方法，其中扫描器可不受其安装位置的影响而自由移动。
此外，本发明提供一种用于测定物体形状或其它三维表面特性的扫描装置，该装置包括可相对所说物体自由移动的扫描器件，扫描器件包括：
a)用于把预定图形投影到物体表面某个区域上的光学投影器，和
b)用于检测所说区域的坐标或其它表面特性、并产生表示该坐标和其它表示特性的输出信号的光学检测器，
扫描装置进一步包括：
c)联接到所说检测器上的处理器，其产生一组表示所说物体表面扫描区表面特性的输出数据，
d)与所说处理装置相联接的组合器，其通过合适的转动和平移把多组从对所说表面进行重复扫描中得到的输出数据组合成一组共用的输出数据，所说组合器可附加地包括其他的处理器，其根据与所说表面共用区有关的各组输出数据的子集合计算所说的转动和平移，
e)还可以附加设置一个惯性检测器，用该检测器检测所说扫描器件相对于所说物体的运动、并产生代表该运动的输出信号，和
f)修正器件，其用于在各顺序扫描之间修正扫描器件相对于所说物体的运动，
所说修正器件至少响应下列信号之一：
ⅰ)来自所说惯性检测器(如果有的话)的输出信号，
ⅱ)来自所说另一个处理器(如果有的话)的输出数据，
本发明的装置包含所说惯性检测器或另一个处理器之一，或是同时包含两者。
在一个实施例中，扫描器件带有用于检测线性加速度的惯性检测器和用于检测转速的转动检测器。通过相对于时间对惯性检测器的输出进行双重积分和相对于时间对转动检测器的输出进行积分，可以在扫描过程中检测到扫描器件的位置和状态，并由修正器件提供对光学检测器进行修正的参数。
在另一个实施例中，修正器件有效地包括组合器，在这个实施例中组合器还包括组合来自连续扫描的数据所需的、用于检测平移和/或转动的处理器。
本发明还提供一种利用扫描器件确定物体形状或其它三维表面特性的方法，其中扫描器件可相对于物体自由移动，所述方法包括：
ⅰ)用扫描器件把预定的光学图形投影到物体表面的某个区域上，
ⅱ)借助安装在所说扫描器件上的光学检测器光学地检测所说区域的坐标或其它表面特性，
ⅲ)得到一组表示所说区域的所说坐标或其它表面特性的输出数据，
ⅳ)以重叠的方式对整个所说物体上的光学图形进行重复扫描，并从重叠扫描中得出其它各组输出数据，和
ⅴ)通过用惯性检测器(50，51)检测所说扫描器件相对所说物体的运动或通过测定将各组输出数据的子集合叠加所需的转动和/或平移，可以修正在各顺序扫描之间使所说扫描器件相对于所说物体运动的各组输出数据，所说的输出数据与所说表面的面积有关，而所说表面对所说各组数据来说是共同的。
在从属权利要求中确定了本发明的优选特征。
下面将仅参照附图1-6中示出的实例说明本发明的优选实施例。
图1是按照本发明所述一个扫描器件(采用了线性扫描模式)的示意性透视图，其表示光学系统的几何结构；
图2是采用图1所示扫描器件的扫描装置方框图；
图3是表示在本发明所述扫描装置中使用的另一个扫描器件(采用二维扫描模式)光学结构的平面图；
图4是表示图2中所示装置进行图象处理的流程图；
图5是说明用图3中的扫描器件进行重叠扫描模式投影的示意性透视图；
图6是说明记录重叠扫描表面区方法的示意性透视图。
图1中示意的大致呈T形的扫描器件10是手持的，其包括在未知形状的物体1上产生竖向扇形光束3的投影器和使得从物体上受照射的区域扩散反射的光4会聚，并使得物体表面上这束光束的投影13在两维光电检测器34上成象的透镜33。光束3是由激光器29(其最好是具有成束光的半导体激光器，但也可以是例如氦氖激光器)和柱形透镜30产生的，光电检测器34由二维CCD阵列构成，沿CCD阵列的每一维上布置有例如几百个光敏感元件。在另一个实施例(未示出)中，扫描器件通常为C形，在C形扫描器件的一个管脚中设有光束发生器，在另一个管脚中设有光电检测器，两个管脚之间有一个夹紧器，借助于夹紧器可以使扫描器件在近似竖直的方向上工作和在近似水平的方向上发射扇形光束。
为了使景深最大和简化几何结构，应使光电检测器34在水平(Z-X)平面内相对X-Y平面倾斜角度β，其法线与透镜33的光轴平行，角度β应满足Scheimpflug条件。在该条件下，通过透镜33把光电检测器34的象投影到扇形光束3的平面上，而且正如在垂直于光束3的平面的角度上所看到的那样，形成在光电检测器34上的图象13’对应于物体表面的形状。例如在物体的前部有一个隆起11，而这一特征在外形的图象13’中是清晰可见的。除了透镜33的放大率是均一的情况(在这种情况下投影带13和图象13’对称地位于透镜33的两侧)之外，图象13’是变形的投影带13的图象，而且通常区域放大率MR(光电检测器上图象点的水平位移与相应投影点在光束3的平面内的位移之比)是由MR=MLsing得出的，其中ML是横向放大率，而g是在水平平面内透镜33的光轴和光束3之间的角度。
Rex等人在《光学工程》，1987年12月，Vol26，No12，第1245页中对Scheimpflug条件进行了讨论，并将其示于该论文的图2和图3中，在本文中引用这篇文作为参考。
因此，对于熟悉光学工程领域的技术人员来说很明显，可以根据光电检测器34的输出得到物体1的表面形状(如在垂直于光束3平面的角度观察所见)。
使用时，用扫描器件10扫描物体1整个表面上的投影带13。在这个过程中，扫描器件方位角的变化用振动式陀螺仪51来检测，陀螺仪51产生分别表示扫描器件10围绕轴x、y和z转动率的输出信号Φx、ΦY、Φz。在市场上可以购得价格便宜的小型振动式陀螺仪，而且根据科里奥利(Coriolis)力可以把陀螺仪设置在一个振动壳体或其它结构内。同样，用加速度计50检测扫描器件沿x、y和z轴的加速度，加速度计分别产生各加速度信号aX、aY和aZ。最好是使陀螺仪51的传感轴靠近光电检测器34的中部以便简化后面的计算，但这并不是必须的。
扫描器件还包括触发开关T，用户可操作该开关开始或停止搜索来自光电检测器的数据。这个触发开关T输出控制信号C。
把加速度计和陀螺仪设置在物体1上，并在驱动物体运动的同时使扫描器件保持静止，从而扫描物体表面上的投影带13，这一特征也包含在本发明的范围内。在物体移动不可避免的情况下，例如当物体是人体的一部分，比如是患者的头部时，这种设置是非常有用的。
图2中示出了用于处理来自光电检测器34、陀螺仪51和加速度计50的输出信号的电路。可以通过例如柔性电缆或无线连接把这些信号送到处理电路中，或是例如把这些输出信号数字化并存在扫描器件内的局部存储器如一个高容量小型硬盘(未示出)中，从而使扫描器件能在其处理电路的遥控下使用和完成扫描之后进行的处理。至少把图2中的某些电路设置在扫描器件中。
根据陀螺仪51和/或加速度计50输出的信号控制由光电检测器34产生的数据和/或对数据进行搜索，由此可避免在转角或加速度过大或过小(例如因噪声或漂移所致)的情况下确定扫描器的位置和/或方位从而能进行精确计算。
现在再参照图2，图中所示的三个方块50a-50c表示加速度计，它们输出的信号分别表示沿x、y和z轴的加速度，同样，方块51a-51c表示陀螺仪，它们的输出信号分别表示绕轴x、y和z的转速。用传统的低噪声和低漂移前置放大电路对加速度信号进行放大并经采样保持电路45后将其送到14位模/数转换器20中。同样，转动信号由传统的低噪声和低漂移前置放大电路进行放大并经采样和保持电路56送至14位模/数转换器55。采样和保持电路45、56以每秒钟5000次的速度进行采样。把来自模数转换器20和55的数字化信号分别送至信号调整电路21和52，调整电路包含数字式滤波器以便滤掉噪声、修正加速度计或陀螺仪输出信号中的非线性(例如通过采用查询表)和修正因温度变化引起的漂移。
把得到的数据送到数字式信号处理器23，在此对陀螺仪51的传感轴相对光电检测器34的偏移(如果有的话)进行修正并对加速度计50和陀螺仪51之间的距离进行修正。这种修正是必要的，因为例如集中在加速度计50上的突然转动会使光电检测器34产生未被加速度计检测到的足够大的加速度。然而，对熟悉本邻域的技术人员来说，很明显，考虑到加速度计和陀螺仪之间是分离设置的，因此可以使用由陀螺仪测得的转速的变化率和加速度计的输出来计算光电检测器的加速度，原则上还应注意到，还可以根据两个相隔的陀螺仪(每个陀螺仪对围绕所有三个轴的方向敏感)或两个相隔的加速度计(每个加速度计对沿所有三个轴的方向敏感)的输出信号计算光电检测器的转速和加速度，所说陀螺仪或加速度计相对于光电检测器的位置是已知的。
处理器23采用双重积分法对经修正的光电检测器加速度(沿x、y和z轴)连续值进行双重积分以便确定光电检测器在扫描期间的瞬时位置(相对于任一起始位置)。由于采样和保持电路45和56被锁定电路57以极快的频率(例如5KHz)锁定，所以这种位置检测实际上是实时进行的。
同样，处理器23采用积分法对经过修正的光电检测器转速(围绕x、y和z轴)的连续值进行积分以便确定光电检测器在扫描过程中的瞬时方位，这实际上也是实时进行的。
为了适时修正位置和方位要在每秒钟内对100个采样组进行50次上述积分，这与光电检测器34的采样频率相匹配。
把上述位置和方位信号送到扫描数据处理器25，该处理器25还接收从光电检测器34输出并通过采样和保持电路26、14位模/数转换器27以及修正电路28送来的物体1表面的数字化外形。修正电路28修正扫描器件10的任何光学畸变(特别是由透镜33引起的畸变)，通过合适的修正(例如修正横向偏差和从Scheimpflug几何学得出的距离放大率)从图象13’中得到投影带13的真正形状(如从垂直于光束3的平面角度上看到的那样)，并且还能确定图象13’的矩心，虽然在图1中是用一条线来表示图象13’，但是通常该图象具有有限的宽度，因此能增大从水平靠近光电检测器的元件输出的信号。
因此，扫描数据处理器25能够实时地接收代表物体1真实形状的信号(如从垂直于光束3的平面所看到的那样)和代表光电检测器4的方位和位置的信号(光电检测器与和物体1的表面相交的光束3照射区的位置及方位有固定关系)。通过简单地利用与从光电检测器34中采集的每组坐标数据相应的各次转动和平移，可以直接从上述数据中得到由光束3扫描的整个物体表面区域的形状特征。
然而，在扫描过程中很可能会产生累积的位置和方位误差，此外至少在一些扫描点上的转动和加速度会处于加速度计和陀螺仪的动态范围之外。因此，在扫描期间不获取数据，而只是间歇地在例如扫描器件10上的操作器控制开关T的控制下，或是在加速度计和/或陀螺仪输出信号的控制下，或者是在预定的期间才获取数据。例如，可用这种信号来驱动类似LED这样的指示器以便向操作者显示加速度和/或转速处于搜索数据时可接受的范围内，或者是可以用这种信号作为门信号，例如通过阻止来自电路57的时钟信号到达采样和保持电路26来阻断对数据的搜索。
而且，在本优选实施例中，处理器25仅适用于与一组连续的外形相应的转动和平移以便在操作者的控制下和/或在上述门信号的控制下产生小区域扫描表面的表面描绘信号和停止产生这种表面描绘信号(这种表面描绘在一个共用坐标系中是一个云斑)。用相似的方法，例如通过再一次操纵开关或释放门信号可以产生描绘另一个表面部分的表面信号。用这种方式可产生连续扫描文件，每个文件包含有代表不同但却是表面部分重叠的云斑。在扫描期间监视扫描器件10的位置和方位，并由此获得在开始形成每个扫描文件时光电检测器34的位置和方位角(虽然可能带有一些累积误差)，所述的位置和方位与扫描文件的三维坐标数据有关。
每个扫描文件由描绘扫描表面区域表面坐标的三维云斑构成，并与在对该组每个外形进行搜索期间表示光电检测器34位置和方向的数据有关。把连续扫描的文件从处理器25输出到设有显示器131和键盘130的计算机47中。
在说明由计算机47进行的处理过程之前，先参照图3说明包含投影器和探测器的另一个光学装置，该装置在物体的表面35上投影一个两维光学图形，并从该图形上检测一系列物体表面形状。而且该装置还能够在不需要任何位置或方向信号的情况下对确定扫描物体表面区域的一组三维坐标数据进行搜索并能取代图1中所示的光学装置。
参照图3，半导体激光器29向光学装置300发射激光束，所说的光学装置包含有柱形透镜或象振动式反射镜装置这样的扫描器，设置柱形透镜是为了形成垂直射向附图平面的扇形光束，而设置振动式反射镜装置是为了使光束垂直于附图的平面振动以便形成相应的扇形包络线。然后通过一个固定反射镜把得到的扇形光束或包络线投射到以20，000r.p.m转动的且由24个小平面构成的多边形反射镜40上，该反射镜对图中所示平面内的光束或包络线3’进行扫描。由光束或包络与物体表面的交叉处确定的外形(如箭头a或b所示)通过透镜33成象到倾斜的光电检测器34’上，并形成相应的图象a’或b’。最好使检测器34’满足Scheimpflugts条件以便使景深最大。这样便可以从相应的图象a’或b’中测定表面a或b的形状。
为了使所检测的外形与一个共同的坐标系相关，必须知道光束或包络线3’在附图平面中的瞬时方向，为此用传感器41检测多边形反射镜40的角度位置，并把角度位置信号送到处理器42。在传感器41输出位置信号的同时，处理器42对光电检测器34’的输出进行采样，并根据角度位置信号相对于共用坐标系对由处理器42算出的每个外形进行校准。因此，处理器42的输出是三维坐标系中的云斑，其限定了由光束3’扫描的表面区。优选的装置300包括一个使激光束垂直于附图的平面快速振动(例如以8KHz)的扫描器，该振动与在附图平面内得到的包络线3’的振动频率有关，而且光电检测器34’是一个两维横向效应光电二极管。这种装置具有非常短的响应时间，并且能在扫描器明显移动之前产生表面扫描区的有效瞬时“图象”。
这类用于产生扫描文件的设备中象图1所示的装置具有以下两方面优点：首先消除了投影带之间惯性导航信号中的各种误差，其次在物体表面上经扫描的两维区域内搜索的数据密度将更加线性化，而且与扫描速度完全无关。
用术语‘对数据进行“有效地瞬时”搜索’来说明对在一段时间内投影到物体表面上的两维矩阵或光栅内多个表面点的搜索，所说的时间段是如此之短，以致于在该时间内扫描器件10预期的最大运动量小于表面形状数据所需的精度。
例如，如果预期的最大扫描精度是250mm/s，所要求的精度是1mm，那么在最大速度下所花的时间为1/250=0.004s。因此，在4ms内必须完成全部两维搜索。最好是使每次搜索包含至少几百个点。例如，如果多边形反射镜40在每次扫描时在物体表面上形成32×32点的矩阵式搜索，那么应在每秒钟内得到1024/0.004=256000个点。
除了上述的转动式多边形扫描装置之外，目前能满足这种技术要求的几种可行的扫描技术包括声光偏转器和电光偏转器系统，这些系统可以是与谐振式行扫描器任意结合。所有这些系统都能以可变的角度并在两维空间内把表面上的一个点投影到扫描器件上并且能快速地控制投影角度。
特别是，通常采用声光偏转器来改变晶体的折射率，以使光束偏转1000个线性分隔的单值角中的任一角度。可以将特定的声光器件联接成使之能提供x，y向随机存取的偏转。
上述转动式多边形反射镜系统需要一个能在光栅的每一行上形成行扫描的中速转动式多边形反射镜40和在改变每行的开始位置时使光栅竖向移动的低速扫描器，例如光学装置300中的另一个转动式多边形反射镜。如果使用的是有24个小平面的多边形，那么在转速为20000r.p.m的情况下，多边形反射镜40的扫描速度是8000行/秒(扫描角度为15°)，并且在4ms内将扫描32条线。光学装置300的另一个转动式多边形反射镜可以是以(1/0.004)/24×60=625RPM转动的24面多边形，即每4个毫秒扫描一次。
如上所述，优选的光点检测器34’是一个横向效应的两维线性硅光电检测器，光电检测器输出连续的模拟信号，该信号显示入射光的矩心相对于光电检测器中心的偏移量。这种光电检测器能分辨出几Mhz下的光变化。
图3所示实施例中的处理器42优选包括多个高速频闪模数转换器，转换器把来自光电检测器的x和y向矩心信号数字化，所说信号与测量时在投影光束3’的特定角度点上得到的表面形状相对应。然后把数字化的点转化成三维坐标系中的点，该三维坐标系为由多边形反射镜40借助于来自传感器41的信号完成的整体扫描所共有，传感器41可以是例如霍尔效应传感器。这些信号表示光束3’的瞬时取向。如果用声光装置进行扫描，那么可以从装置的驱动信号中得到所需的光束取向信息。
用图3所示的装置比用图1所示的装置能采集更多的数据，而且由于扫描文件之间的移动非常小，所以能使每个连续扫描的文件包含很大比例(例如50％或更多)的前一次扫描数据，由此可达到几乎完全重合。这样能够比较容易地将与连续扫描的文件对应的表面部分结合起来得到对物体1表面的完整描绘。特别是，虽然图3所示的装置中具有与图1中的加速度计和陀螺仪相同的加速计50和陀螺仪51，但是不必把处理器42的输出与从这种加速度计和陀螺仪得到的数据相结合来给出包含所需位置和方位角数据的连续扫描文件，其中的数据由图1中的电路25提供。在不辅之以这种数据的情况下，可以把扫描的表面部分与计算机结合起来，这一点从下面的扫描中将更易于理解。然而可以用来自加速度计和陀螺仪的信号a)得到在连续扫描文件之间扫描器件的位置的方位角变化，然后把逐对(或更大组)扫描文件结合起来形成复合扫描文件，这样，只需要很少的配合处理便能得到完整的表面描绘和b)向后续处理电路即能在相继的扫描文件之间找到重叠区的电路提供位置和方位角信号，由此来简化处理。下面将参照图5来说明这种信号的使用情况。
现在再参照图4，其表示计算机47对扫描文件的处理过程和数据流。把每个扫描文件(1-N号)的坐标数据表示成611-61N的云斑。
下面将详细说明图中所述的数据和过程：
数据：原始三维坐标数据的扫描文件
这是从扫描器件10的一次扫描中采集的数据文件(用CLOUD OFPOINTS(云斑)表示)。它包含对表面形状三维坐标的多次搜索。当压下扫描器件触发开关T且在任何方向上的速度都超过阈值时，便开始扫描。而当释放触发开关T或任何方向的速度下降到低于第二(较低的)阈值(滞后)时，则停止扫描。在此期间，以规则的时间间隔进行外形搜索，而且外形的数量与扫描持续的时间成正比。每一次外形搜索包含沿外形长度方向的多次距离采样。在另一个实施例中，除了基本的三维坐标数据之外，在每个扫描文件中还可以包含一些其它的数据项，以便协助后续程序完成例如扫描文件时间标记的误差修正，从而指示开始扫描的时间、扫描器件的位置和方位角以及表面颜色。
步骤62：扫描文件的表面拟合
扫描文件实质上由一组随机放置且彼此无关的点构成，这些点作为无序点和在后续处理阶段不适合格式化的点极难进行任何进一步的处理，这个处理过程是为在于后续处理操作形式的扫描文件中由随机排列的点描绘的表面建立一种数学模型。值得注意的是该数学模型不必用x、y和z坐标来表现该表面，而仅仅是原始的指令格式，这些数据能够体现诸如能在后续处理中进行非连续计数等有益特征。其具有两个效果：将数据排列成公知的格式，和在不考虑改变数据密度的情况下形成扫描区域完整的表面模型。然而必须考虑到，由于表面模型并不保留最初的原始坐标数据，所以在这个过程中会损失一些数据。目前已有多种用一组无序三维坐标描绘表面的方法，这些方法包括ⅰ)K-D二叉树，ⅱ)局部邻域增长计算法，和ⅲ)沃龙诺依图的德朗奈三角测量。
ⅰ)K-D二叉树
K-D二叉树(Henderson 1983，Friedman等人；1977)把数据定位到二叉树上，其中树上的每一点均与它最邻近的点相连。通过依次测定每个点和它与其最邻近点的空间关系便可以进行连续表面特征的检测。
ⅱ)局部邻域增长计算法
通过先择一个或多个种子点(通常是不连续点)并使这些点增长成多个区域(受非结构化点数据的影响)，直至使这些区域相遇来实现局部邻域增长算法，而且局部邻域增长算法以适合于进一步处理的空间相关方式完整地描述了这组非结构化点。由于在不连续点处(例如在边缘处)阻止了区域的增长，所以该方法具有在处理过程中自动检测间断点的优点，这使得对后序过程中特征点的识别更加简单。这种方法的缺点是它比本文中描述的另外两种方法需要更多的处理。
ⅲ)沃龙诺依图的德朗奈三角测量
在沃龙诺依图的德朗奈三角测量是(Toussaint 1997)中，沃龙诺依图是通过确定一个与测得的每个表面点有关的平面而建立的，以便使平面内的每个点更靠近测得的表面点，而不是测得的任何其它表面点。这样便建立起一个多面体，其多面体表面集中体现在检测到的各表面点上，多面体表面的边缘介于测得的相邻表面点之间。通过在测得的三个表面点之间确定一个三角面并测定三角面和中间测得的位于其之上的表面点之间的垂直距离可对得到的多面体进行简化。根据垂直距离的大小，可以把三角形分成以这些点为顶点而确立的两个三角形或者是删除这些点。对扫描物体(具有三角形表面的一部分多面体)的最终描述很简单，这是因为仅在前一个近似表面不能令人满意的情况下才形成其它三角形。Francis等人在1985年描述了一种类似的方法，但其适合于非常大的数据组。
从步骤62得到的数据将是一种适合于提取特征点的形式的表面模型。根据步骤62中使用的精确方法，表面模型可以是一组样条、二叉树或一组相连的三角形或其它多面体的形式。
步骤63：“特征点”的检测
可以将这些点定义为局部表面的任何次导数(特别是斜率，即，一次导数)过零的点，这些点包括边缘、拐角、峰、谷和鞍形区。检测这些特征的方法包括ⅰ)平面切断和ⅱ)表面曲率分辨。在表面基本上无特征的一些情况下，可将一些小的和易于除去的且为已知形状和尺寸的标记放到待扫描物体上以便产生仿真“特征点”。在处理结果时通过减去合适的三维模型的步骤便可从扫描文件中除去这些标记。
ⅰ)平面切断
理论上，平面切断的步骤包括沿大约穿过扫描数据中心的轴按固定的间隔取下连续的平面切片。这将提供一组连续深入到范围数据中的表面外形图。通过对任何给定平面切片和其前后平面的数据差进行译码便可测出诸如拐角和边缘等特征。可以反复进行这一步骤，其中开始时可以使用平面之间的粗大间隔，进而是连续的细小间隔直至识别出特征点。
ⅱ)表面曲率分析
用样条和对表面进行多面体描绘的形式作为输入数据，通过检测偏离样条的点，可用表面曲度找出表面中的间断点。还可以用这种方法测出用其它手段无法测出的表面特征，其中可用数学方式完整地描绘一个平滑的抛物面，而且可以用该抛物面作为扫描记录的特征点(其斜率过零)而不是象其它方法中的表面点。为此，对于普通的表面积分程序包来说该方法是一种重要的工具，因为如果存在任何间隔点，该方法能够记录包含极少间隔点的扫描文件。Besl等人在“IEEE TransPAMI，Vol10，No2第167-192，1988年3月”(在此引用作为对此文件)中描述了一种利用表面进行表面特征识别的方法：双视点恒定曲度测量，即高斯曲度(K)和平均曲度(H)。相对于八种可能的表面类型，即峰、脊、鞍形脊、平坦区、小表区、凹痕、谷和鞍形谷，具有八种这些参数可能出现的极性组合。
来自步骤63的数据流包括与每个扫描文件有关的“特征点”而且该数据流用一个表格(例如峰、鞍形、鞍形、谷)表示，所述表格与另一个表示每个特征点之间空间关系的表格相联系。可以用下列数据组或一些子集合来描述第一个表中的每个特征点：
-特征点的中心在该次扫描的局部坐标参照帧中的坐标。
-在该次扫描的局部坐标参照帧中扫描装置对特征点的相对搜索角。
-类型，例如峰、谷、凹痕、鞍形等。
-导致产生特征点的间断点的大小。
-表面特性，例如色彩、反射性(假设使用响应这样特性的光电检测器而且相应的数据是有效的)。
步骤64：共同特征检测器
通过使该组特征点和它们在每个扫描文件中空间关系与其它扫描文件的各组特征点相匹配来识别不同扫描文件中共同的表面特征。这种技术在Soucy等人的“IEEE Trans。图形分析和机器智能，17，No.4，1995年4月”中已有描述，该文在此引用作为参考。
特别是，对每对扫描文件来说，相对于类似的特征点类型进行一次扫描，在该对扫描文件之间形成一个共同的特征点类型表。接着，可以将每次扫描时表中共同特征点之间的相对空间关系与各对相似类型之间的第一匹配距离相比较，从而产生原始表的子集合，其中各对特征点之间的空间关系相互匹配。然后检查其它相邻的特征点与从每次扫描中得到的匹配对的相对空间关系以便得到包含三个特征点的匹配，从而形成三个特征点匹配的子集合。这对确定各次扫描之间出现的任何一组共同特征来说是最低的要求。这个步骤连续进行，直到不能再发现其它匹配对为止。特征点匹配的数量越大，对各次扫描之间重叠表面特征间的匹配修正可信度越高。
该步骤的一个实例如下：
扫描文件1    扫描文件2
峰           峰
峰           脊
脊           鞍形
凹痕         最小表面
凹痕         凹痕
首先通过比较删除对扫描文件1和2来说的非共同特征(即鞍形和最小表面)。
其次计算扫描文件1中每对特征之间的距离和相应地计算扫描文件2中每对特征之间的距离，结果列于下表中：
扫描文件1    扫描文件2
峰-峰距离    峰-脊距离
峰-脊距离a   峰-凹痕距离a
峰-脊距离b   峰-凹痕距离b
峰-凹痕距离a 峰-凹痕距离c
峰-凹痕距离b 脊-凹痕距离a
脊-凹痕距离  脊-凹痕距离b
             脊-凹痕距离c
把扫描文件1中的每个距离与扫描文件2中的相应距离(即相应特征组之间的距离，例如峰-脊距离)相比较。可以发现，例如扫描文件1的峰-脊距离与扫描文件2的峰脊距离相匹配，各扫描文件的峰-凹痕距离相匹配，而且扫描文件1的脊-凹脊距离与扫描文件2的脊-凹痕距离相匹配。然后处理这些匹配的距离，找出可能结合的三个不同特征之间的各组之距离表。在这种情况下得到的每一个表都包括一组峰、脊和凹痕之间的距离：
扫描文件1
峰-脊距离，峰-凹痕距离，脊-凹痕距离
扫描文件2
峰-脊距离，峰-凹痕距离，脊-凹痕距离
如果这些组的距离相匹配，那么可以为这些峰、脊和凹痕相对扫描文件1和2是共同的。
对其中至少三个特征点已经以这种方式与另一个扫描文件相匹配的所有扫描文件而言，需确定把一个扫描文件的共同特征点叠加到另一个文件上所需的三次转动(绕一个扫描文件的坐标系统中x、y和z轴)和三次平移(沿x、y和z轴)。
就具有共同特征(重叠区)的每对扫描文件而言，将上述三次转动和平移从步骤64输出到步骤65。
步骤65：扫描文件的转动和平移
对所有重叠的扫描文件云斑进行转动和平移，得到能相对于任意坐标系确定扫描物体完整表面的单个云斑。此外可以将这些转动和平移用于步骤62中形成的表面模型。
相对于原始扫描文件的云斑或表面模型来说，得到的数据是相同类型的数据，但是要将其转换到共同的坐标系。
步骤66：非冗余表面模型发生器
具有三种把一组多区域图象合成单个非冗余文件的基本方法，在这个步骤中可以选用任何一种方法：
1)根据多组无序的三维点直接计算表面模型
这些技术的优点是仅用点数据即可计算表面模型。为此而作的假设是：
a．通过P点的几个最近的三维邻域能测算出P点的N个最近的表面邻域，
b．模型化的物体表面上的数据密度比较均匀，
c．用相同的精度测量这些点。
如果采样的密度不是很高和当数据是不同精度的数据时(例如在以锐角朝表面反射的过程中得到的数据)该技术存在大表面间断点的问题。这种方法的一个实例是Hoppe算法(H.Moppe等人，Proc.ofSIG-GRAPH’92，第77-78页，1992，该文在此引用作为参考)。
2)通过相对每个扫描文件设定参考表面描述来建立表面模型。
在记录误差比数据搜索误差小的情况下，该方法可提供比1)更精确的表面模型。为了利用这种技术成功地实现模型化，物体上不能带孔，而且投影到物体表面上的柱形或球形栅格必须是连续的。
3)利用一组扫描文件的Veun图测算表面模型片段。
虽然所有三种方法在步骤66中都是有效的，且可由使用者在计算机47(图2)的键盘130上用合适的输入指令进行选择，但是由于方法3)设有关于模型化物体的拓扑学记录，所以该方法是唯一最有用的方法。
这种方法在Soucy等人的IEEE Trans图形分析和机器智能(supra)第三部分(第346页et Seg)中已有描述，所以在下面只作简单说明。
在将扫描文件结合之前，先对它们进行四步预处理：
a．数据移至精确的阈值之下。
b．将数据移至深度窗之外。
c．通过在原始文件中保持水平和垂直邻域之间的三维距离阈值来检测区域间断点。
d．将原始扫描文件投影到一个平面上，并用方形栅格拓扑图将其参数化。在得到的点坐标文件(以下称之为视域)中，两个纵向点之间的参数化距离等于两个水平点之间的参数化距离。
通过计算所有可能的视域对其之间相同的表面段可以得到Venn图。两个或多个视域之间的每个表面特性重叠区构成了典型的Veun图子集合。从这组视域中得到Venn图的步骤包括找出所有可能的视域对之间的交叉点，并进行一次计算，这样便可以相对于已采样的其它视域中各视域内的每个点确定表面上该点处的元素。由此可隐含地得到Venn图的标准子集合内容。
点数据将因噪声而产生，且其分辨率有限。为了确定一个视域中的每个点是否与另一视域中的一个点相匹配，必须进行两个测试，即空间邻域测试和表面可见度测试。这两个测试必须在两个视域中的所有表面点上进行。
用空间邻域测试(SNT)检查一个视域中的某个点与另一个视域中的表面片之间的欧几里得距离相对于测量误差是否足够小以便确定它们是否属于相同的三维邻域。表面片的定义是局部性的，而且将它定义为由在其它视域的参数化栅格中一次转换的点的三个最近邻域形成的平面。
表面可见度测试(SVT)根据局部表面定向信息检验一个视域中的表面片相对于另一个视域中的表面片是否可见。例如，如果两个视域中的各组点具有满足空间邻域测试(SNT=TRUE)的相同坐标，那么各组点仍然属于不同的表面，例如薄片的内侧面和外侧面。SVT准则包括测定与各组点相应的表面垂线之间的角度；只有当该角度小于90°时才满足上述准则(SVT=TRUE)。
相对于一次逼近而言，那些SNT=TRUE和SVT=TRUE的点对不同的视域来说是共同的点。但是由于上述测试在近距离断点例如边缘和拐角处是不可靠的，所以上述测算并不是对标准子集合(即共同点)的完整测算。
此外，这些初始测算可作为迭代区增长过程中的种子使用，这些种子一直扩散到以陡峭间断点象素的外形为标志的边界处。还必须用一致性准则来防止孤立点自由生长。可以将这个准则定义为在扩展区域中至少有50％的元素必须是SNT和SVT=TRUE。区域增长算法基于修正的8邻域团点色彩算法。可以不检查给定视域中的两个八连象素是否具有相同特性，而是检查它们在两个视域中是否被与种子区元素四连的阶梯形连续象素的外形断开。
当从Vemn图中抽取非冗余模型时，首先计算用于对每个Veun图的标准子集合进行模型化的一组三角形。然后将这些局部的三角形结合起来得到一个将物体模型化的完整的集合三角形。
把用常规格式得到的模型从步骤66输出到步骤67。
步骤67：文件格式转换
用完整的集合三角形模型作为文件格式转换的输入数据产生一个用适合于由大量三维软件包显示、操作和存储的标准文件格式描述物体的文件，所述软件包包含但不限于各种平台上的CAD。
数据：用工业标准文件格式进行物体描绘
由文件格式转换应用程序支持的共享三维文件格式包括：
Bezier曲线，B-样条曲线和表面，B-Rep模型，结构几何学(CSG)和CSG树，DXP几何交换格式，初始图形变换标准(IGES)(和变异-VDA-IS/VOA-FS)，非均匀有理B样条(NURBS)，八元树模型，和步长/Pdes。
将该数据输出到CAD软件包68。
可以把上述过程的部分或全部显示在计算机的显示器131上，特别是需要与表面部分相拟合的转动和平移，这样便可以由使用者进行修正和调整。合适的计算机是图形工作站或是高速个人计算机。
现在参见图5，用所设定的与图3所示优选光学扫描装置和加速度计以及陀螺仪相结合的扫描器件10对图5中所示的物体1’(纸杯)进行扫描。显示出的物体表面上的第一扫描拐角(即因多面体反射镜40转动而由水平扫描光束3’覆盖的区域)为p、g、r、和s，而且应注意的是这次扫描与下一次扫描t、u、v、w实际上是重叠的。在这两次扫描的下方，在纸杯的表面上显示出第二行的另两次扫描，而且持有扫描器件10的操作者可确保两行重叠。正如图3所描述的那样，连续扫描pqrs和tuvw之间的重叠是由于多面体反射镜40相对于来自扫描装置的投影光束量具有快速扫描频率所致，所说的投影光束是从待测物体1’的表面上扫过的光束。而且，每次扫描的边缘区(例如阴影线示出的扫描pgrs的区域)必然与下一次扫描的边缘区相重叠。例如图5中所示第一次的拐角r和s之间的边缘区将与第二次扫描的拐角t和u之间的边缘区相重叠。
而且，可以用图4中的共同特征检测器(COMMON FEATUREDETECTOR)在步骤64来观察每个扫描文件的边缘区重叠情况。最好是通过扫描器件10实时地产生扫描文件。换句话说，不是等到所有扫描文件都产生后再查看每个可能的扫描文件之间的重叠区，而是由步骤64查看连续产生的扫描文件区域(特别是边缘区)之间的重叠区。
此外，很显然，如果扫描器件10上带有惯性检测器，例如加速度计和陀螺仪。那么就可以通过对该惯性检测器的输出信号进行处理来确定在物体1’表面上的扫描速度和运动方向，并由此预测连续扫描文件重叠的精确区域。即使是省略惯性测量器，也可以根据共同特征在其扫描文件中的位置得出首先进行的两次扫描之间的运动速度和/或方向，并用该结果进行一次逼近后，预测在其后进行的两次扫描中将要重叠的区域，因此共同特征检测器(COMMON FEATURE DETECTOR)步骤将仅观察该区域中的共同特征。在这些实施例中大大地减少了识别连续扫描文件中的共同点所需的处理过程，而且使这些过程易于实时地实现。
在扫描期间可以考虑重新装入加速度计和陀螺仪并且为此而设置了对接站100，在扫描期间扫描器件可以周期性地返回到该对接站。如果每次扫描都是从把扫描器件从对接站中取出开始，则能够减小由加速度计和陀螺仪引起的累积误差。此外，在对物体1’进行扫描之前可以先扫描一个具有已知尺寸和形状的参考物体200并用其来校正系统。
原则上可建立一个确定物体1’完整表面的文件，并保证在借助来自扫描器件的投影图形对整个物体表面进行扫描的同时，将物体保持在扫描器件10的光电检测器34’的视域内。但这并不总是切实可行的，通常容易做到的是把确定物体部分表面的连续文件结合起来形成组合的扫描文件，并重复该过程形成其它的组合文件，然后在扫描过程结束时借助图4中的步骤64和65把各组合扫描文件结合起来形成完整的表面描述。
此外，如果按预定顺序(例如搜索顺序)以串行方式或其它能将信息保存在其扫描位置上的方式从步骤47(图3)中读出所有点的坐标数据，则可以简化图4中的表面拟合步骤62。从这种信息中可以识别出每个点的最近邻域，而不需要计算所有各对点之间的距离，因此通过把每个点与其最近的邻域相连可建立起一个表面。假设图4所示扫描装置中光束3’的扫描角比较小，那么得到的表面将近似等于矩形栅格上的投影。
而且很显然，如果采用图3所示的优选扫描装置可以省去上述图4中所描述的多个用于寻找扫描表面部分共同特征的复杂过程。
此外，用原始的计算技术(如在K.E.Kinnear的“原始程序中的优化(Advances in Genetic Programming)”和John.R.Koza的“原始程序Ⅱ：再生程序的自动发现”计算机科学系，斯坦福大学，斯坦福，加利福尼亚94305，中已有描述，该文在此引用作为参考)或相关的模拟退火Boltzmann技术可得到操作上的优点。在两种情况下，利用从拟合准则例如与连续域数据文件共有的最近特征点中(在大的数据组中)测得的结果，连续选择那些产生最好拟合的子计算，并进行多次重复从而把随机因素引入到后续处理的计算中。从题为：“快速路径计划的结构空间中的随机网络，Lydia.E.Kavraki，计算机科学系，斯坦福大学，斯坦福，加利福尼亚94305”的第STAN-CS-TR-95-1935号报告描述的技术中能够容易地得出数据文件在六维空间中重新定向和记录的类似方法。
在这种情况下，参考图6，其示出了两个投影矩形格栅上的表面S1和S2，所述表面是从由图4的扫描装置输出的连续扫描文件中得到的。至少要针对表面的重叠边缘区计算由一个表面S2的四个邻近点确定的法线N，然后a)计算沿每条与表面S2相交的法线距离，b)用通常的或其它交互式算法确定使这些相交距离总和最小所需要的三次转动和平移(相应于最好的重叠)。这种技术不需要检测间断点或其它“特征点”。
本发明的另一个实施例是通过使用彩色CCD或类似的两维彩色光电检测器而不是目前的光电检测器，在使激光器频闪或使用宽带光源的情况下以表面位置数据的形式瞬时俘获彩色和纹理重叠信息。
本发明的另一个实施例可以保留如图1和图2所示的惯性位置和姿态测量系统，但可以使用任何其它器件以确定相对于扫描器件的表面坐标。
在本发明的再一个实施例中，可以将位置和姿态测量系统装到待测物体上，而物体能绕固定的扫描装置移动，或是对另一个位置和姿态测量系统而言，除了将其装在扫描器件上之外还可以将其装到被扫描的物体上，从而使扫描物体和扫描器件都能自动移动。
此外，不必处理用于比较重叠表面的扫描文件便可记录测得的扫描物体表面部分。而且，如果惯性测量器足够精确的话，从惯性检测器的输出信号中完全能得出所需的转动和平移
可以用发光二极管代替作为光源的激光器28，也可以使用除光波长之外的其它波长，特别是I.R.波长。而且术语“光学的”是指广义上包括符合光学定律的任何辐射体或装置。
本发明的再一个实施例采用了具有各种放大率的可控透镜系统以便增大深度测量的动态范围。
本发明的另一个实施例可以包括装在计算机(47)中的密度、质量和体积计算器。
如果扫描物体的表面具有较高的反射性和较高的透光性，那么使用惯性精细粉末例如指纹粉将是很有利的。

Claims (24)

1．一种用于测定物体(1)形状的扫描装置，包括：
a)光扫描器(10)，用于以光获取所述物体相对于该扫描器的重叠表面区的表面坐标，所述光扫描器相对所述物体可自由运动；
b)处理器(25，26，27)，与所述光扫描器耦合，用于产生一组代表所述表面区的表面坐标的输出数据；
c)惯用检测器(50，51)，用于检测所述扫描器相对于所述物体的运动，并产生代表该运动的运动输出信号；和
d)组合器(47)，响应所述运动输出信号并与所述处理器耦合，用于通过适当的平移和转动，将从对所述表面进行重叠扫描得到的和表示各表面区的多组输出数据组合成表示该组合表面区形状的一组共用输出数据。
2．如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，还包括：其他的处理器(61-66)，用于通过识别所述物体的共用重叠表面区域的特征来确定所述适当的平移和转动，同时将所述各组输出数据转移到一个共同坐标系；和修正装置(23，47，50，51)，用于在各顺序扫描之间修正所述扫描器相对所述物体的运动，该修正装置响应来自所述其他的处理器的输出数据。
3．如权利要求2所述的扫描装置，其特征在于，所述组合器(47)包括产生扫描表面区(S1)法线(N)的装置和在不同转动和平移条件下测定法线与其他表面区(S2)相交的沿法线方向的距离的装置。
4．如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述惯性检测器(51)由所述扫描器(10)携带，用于测定各顺序扫描之间的所述扫描器的转动。
5．如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述惯性检测器(50，51)响应在每次扫描期间的所述扫描器(10)的位置和/或姿态的变化，以对每次扫描期间的这种位置和/或姿态变化修正每组输出数据。
6．如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，还包括将测得的所述区域的表面坐标与描述所述扫描器(10)在所述坐标的光检测时相对于所述物体(1)的姿态和/或位置的姿态和/或位置数据联系起来的装置(25)。
7．如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述扫描器(10)包括一个用于检测所述表面区域的光检测器(6)，和用于将物体(1)的一个表面部分成象于该光检测器上的装置(33)。
8．如权利要求7所述的扫描装置，其特征在于，所述光检测器(6)包括：
a)对所述图形的二维位置敏感的检测器(34)；和
b)成象装置(33)，用于在所述检测器上形成所述图形与所述区域的交叉图象；
9．如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述扫描器(10)包括一个光学投影器(5)，用于将预定的图形投影到物体表面(2)的一个区域。
10．如权利要求9所述的扫描装置，其特征在于，所述光学投影器(5)包括将光线的二维图形投影到所述区域的装置。
11．如权利要求9所述的扫描装置，其特征在于，所述光检测器(6)包括用于对相对于所述扫描器(10)的所述光学图形进行扫描的扫描器件(40)。
12．如权利要求9所述的扫描装置，其特征在于，所述光学投影器(5)包括至少在相对于所述扫描器(10)的一个方向上通过扫描光束产生所述光学图形的扫描装置(300)。
13．如权利要求9所述的扫描装置，其特征在于，所述检测器(34)相对于所述成象装置(33)的光轴是倾斜的。
14．如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述光检测器(6)对所述物体(1)表面(2)的颜色敏感，而且所述输出数据包括表示该颜色的数据。
15．如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，该装置设有手动输入器件，以便有选择地控制物体(1)的不同扫描表面部分的组合。
16．如权利要求10所述的扫描装置，其特征在于，所述光学投影器(5)设置成能将一红外图形投影到所述物体表面(2)的一个区域。
17．一种利用扫描器(10)测定物体(1)形状的方法，包括以下步骤：
ⅰ)检测物体表面区相对于所述扫描器的表面坐标；
ⅱ)产生一组表示所述表面区表面坐标的输出数据；
ⅲ)相对于所述物体重复扫描所述扫描器，以重叠方式检测物体其他表面区的表面坐标，从而获取其他各组输出数据；和
ⅳ)通过识别所述物体的共用重叠表面区域的特征对所述扫描器相对于所述物体的运动修正所述各组输出数据，并且将所述各组输出数据转移到一个共同坐标系；
其中所述扫描器相对于所述物体可自由运动。
18．如权利要求17所述的方法，其特征在于，在连续采集各组输出数据之间测定所述扫描器(10)相对于所述物体(1)的转动和平移。
19．如权利要求17所述的方法，其特征在于，用迭代计算法来确定所述转动和平移。
20．如权利要求17所述的方法，其特征在于，对获得的各图形的各组表面特征进行识别和比较，以确定所述的转动和平移。
21．如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括：通过用惯性检测器(50，51)检测所述扫描器相对于所述物体的运动来修正所述扫描器在各顺序扫描之间相对于所述物体运动的各组输出数据。
22．如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述图形是二维图形。
23．如权利要求21所述的方法，其特征在于，将一个红外图形投影到所述物体表面(2)的一个区域。
24．如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述扫描器(10)是手持的。
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