CN107655421A - 采用立体扫描相机对表面进行扫描的工艺和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用立体扫描相机扫描表面的方法和装置，其中至少两个相机模块各自具有镜头和传感器。该相机模块的布置方式满足：能分别对待扫描表面的同一片扫描区域生成扫描图片。通过投影装置将预定的测量图像投影到扫描区域，其中具有预定长度的参考片段在测量图像中清晰显示。借助用相机模块拍摄的图像来确定差异，此时借助图像中的结构来确定差异，该差异为待扫描物体表面成像和/或通过测量图像导致，并借助该差异确定纵剖轮廓。

Description

采用立体扫描相机对表面进行扫描的工艺和装置

该发明针对采用立体扫描相机对表面进行扫描的工艺和装置。

前述发明的目的在于解决以下技术难题：

需要对大量制造的、部分表面为镜面表面且另一部分表面为非镜面表面的产品进行光学监控。尤其是须能快速、准确地确定镜面表面与非镜面表面的相关位置。该产品沿着相机高速移动。同时对其进行光学扫描，并对光学扫描进行实时评估。由此生成产品纵剖面。

立体扫描、激光三角测量、偏光测量和白光干涉测量构成了无接触式三维扫描常用的光学工艺。

由于镜面表面能够捕捉漫射光，采用立体扫描和激光三角测量将不会扫描镜面表面。偏光测量时功过评估表面上的射束偏转来确定表面情况，由于镜面表面作为光学系统的构成部分，该测量方法针对镜面表面的测量效果突出。但不适用于非镜面表面。

采用白光干涉测量可对镜面表面和非镜面表面进行三维扫描。该工艺也十分精准。但扫描时长非常长，因此该工艺不适用于快速的生产流程。

原则上，采用表面扫描相机和多种照明装置(用作闪光灯)既可以扫描镜面区域也可以扫描非镜面区域。通过巧妙地选择用于反射和非反射表面的照明装置，例如立体扫描和偏光测量的组合，能够可靠地扫描对应的表面。由于需要大量不同的元件，此类工艺或此类装置耗费巨大，此外，采用不同工艺进行评估时要求严格。

但偏光测量是一项非常可靠和精准的、用以扫描镜面表面的工艺。针对前述难题，对镜面表面进行三维扫描时，不存在简单、耗费又小、同时还可进行快速评估的工艺。

因此前述发明的目的在于，发明采用立体扫描相机对表面进行扫描的工艺，可用简单、可靠的方式对镜面表面进行扫描。

对象的目的说明参见单独的权利要求文件。本发明的有益设计参见各自的从属权利要求文件。

前述发明针对采用立体扫描相机对表面进行扫描的工艺和装置，该立体扫描相机至少配有两个相机模块，各配有一个镜头和一个传感器，其布置方式满足：能分别对待扫描表面的同一片扫描区域生成扫描图片，至少有一台投影装置用于将特定的测量图像投影至扫描区域内，投影时相机模块聚焦在投影仪或投影装置上，以便于生成测量图像的投影单元能够成像到各自相机模块中，此时可借助两个相机分别抓取到的测量图像确定差异，并借助该差异生成纵剖轮廓。

采用经不同相机拍摄的不同测量图像，对表面进行扫描的工艺，已经非常清晰明了。该工艺的基础为摄影测量的3D表面重建。该工艺符合US 2006/0158664 A1、DE 41 34546 A1或DE 44 16 108 A1的要求。在此分别使用了一个表面扫描相机，采用该表面扫描相机对多个二维图像按顺序进行扫描。该图像被投影至待检查的表面上，该表面被成像到相机内。

发明的工艺与该技术状态的区别在于：待检查表面并非被成像至相机上，而是生成测量图像的投影单元被成像至相机上。该单元是由投影仪照亮的光栅(示例)。换言之，该相机处理的并非表面，而是生成测量图像的单元，此时对镜面表面上对应的光束进行反射。

该方法甚至适用于线性扫描相机，基于镜面表面，可将非常高的光强度引导到相机模块中，因此可以采用线性扫描相机拍摄到对比度强烈的一维图像。

发明工艺与上述传统的摄影测量方法不同之处在于：没有将多个条形图像按照不同的条形路径方向，投影至待扫描镜头上，此时该方法针对一维扫描区域无效。

使用立体扫描相机，可通过已经扫描一次的测量图像生成纵剖轮廓。尤其是当预定的参考片段在测量图像的预定长度方面清晰显示时，此效果尤其明显。参考片段为两个相机模块之一拍摄到的片段图，该片段可用于确定差异，此时将该参考片段与另一个相机模块拍摄图片的相应参考片段进行对比，由此可分辨出两张完全一致的参考片段在不同的图片中有何局部差异。如果选择的参考片段非常短，例如：选择两个像点，则无法满足清晰显示的要求，因为仅存在四种可能的图像(00，01，10，11)，但每张图片中的单个参考片段的数量要远大于此。同时也不得使用过长的参考片段，否则可用于确定差异的区域可能受限，在后文中通过实施示例进行详细说明。因此，参考片段的长度须根据采用各个相机模块拍摄到的像点的总数量和待确定差异的区域的总数量来选择。参考片段优选至少具有九个、尤其至少具有11个，择优选至少具有15个图像点。原则上不得长于35个图像点，或尤其不得长于25个图像点。

一致性指：用两个相机之一模块拍摄的图像行优选参考片段，与另一个相机模块拍摄的图像行的参考片段能够唯一对应。但不排除，在测量图像中可以出现一块特定的参考片段和其他标记。如果在图像行中多次出现一块参考片段，那么两块相同的相邻参考片段应该彼此原理，距离须确保：不会混淆两者在两个图像行中的成像。设计测量图像时倾向于：每一块预定长度的优选参考片段在测量图像中都清晰显示。可以通过使用最大长度的串行或最大长度串行(MLS：maximum length sequence)来生成此类测量图像(举例)。

前述发明的发明人认识到，一方面，在镜面表面中反射的光强度非常高，以至于采用传统、简单的照明装置，能够通过串行传感器可靠地扫描测量图像。因此，该工艺尤其适用于镜面表面扫描。

借助镜面表面的图片确定的差异，可以根据下列公式，从差异计算出纵剖轮廓

其中R代表表面与立体扫描相机的距离，B代表立体扫描相机光学特性，f1代表相机模块镜头的焦距，通过该相机模块可将生成测量图像的投影单元成像到各自的相机模块中。

但如果相机和投影装置相对于待扫描表面的垂线倾斜，且倾斜角度为α，则可在上述公式中加入修正系数，变成下列公式：

在扫描非镜面表面时可看出，用不同的相机模块拍摄的相同扫描区域生成的图片，也包含用于确定差异的类似适宜结构，该结构由待扫描目标的着色的和/或变形的表面结构、光影效果，基于目标的三维轮廓和/或通过测量图像产生。针对具有明显本征结构的目标，测量图像的作用显示在背景中，而针对均匀着色和稍微变形的目标表面，测量图像在图像中可识别，并与光影效果组成该结构。

针对借助非镜面表面的图片确定的差异，可以根据下列公式，从差异计算出纵剖轮廓

其中R也代表表面与立体扫描相机的距离，B代表立体扫描相机光学特性，f2代表相机模块镜头的焦距，通过该相机模块可将待扫描的表面拍摄至相机模块内。

但如果相机和投影装置相对于待扫描表面倾斜，且倾斜角度为α，则可在上述公式中加入修正系数，变成下列公式：

采用该工艺时，仅采用一个测量图像，通过一次扫描过程，生成图像行纵剖轮廓。可通过差异实时算出该纵剖轮廓。

如果分别借助差异计算出镜面表面和非镜面表面的纵剖轮廓，则根据上述实施示例，将使用不同的公式或计算方法，其将从光源到待扫描表面和到立体扫描相机、或从待扫描表面到立体扫描相机的不同的光程纳入考虑。

可将相机模块镜头的焦距设置到待扫描表面和投影装置之间的区域内，该设置使得待扫描表面和投影装置均位于镜头焦点区域内。由此可同时扫描镜面表面和非镜面表面。

相机模块的镜头也可以交替地聚焦在待扫描表面和投影装置上，其中一次将待扫描表面，另一次将生成测量图像的投影单元成像到相应的相机模块上。由此可交替扫描镜面表面和非镜面表面。

发明工艺优选地自动确定，待扫描表面是否具有镜面区域和/或非镜面区域，并根据上述说明的工艺确定纵剖轮廓。

针对非镜面区域，可使用该区域的本征结构来确定差异。针对非镜面区域，原则上也可以使用因测量图像产生的结构来确定差异。然而，非镜面区域的反射特性小于镜面区域，由此在待扫描的图片中，有时测量图像亮度不足无法识别，或没有具有足够的对比度，无法用以确定差异。

根据下列方法或其中之一来确定待扫描表面的镜面或非镜面区域：

1.借助待扫描物体的CAD数据可区分出镜面和非镜面区域。CAD数据通常包含可区分出镜面和非镜面区域的材料特性。使用光学图像分析方法，仅须识别待扫描的物体，并与CAD数据相符合。自动识别边缘时，额外优选地使用了光学图像分析方法，由此可自动检测出各个区域。

2.可以组合使用非漫射亮场照明和漫反射暗场照明。针对镜面表面，漫反射暗场照明被反射在所有可能的方向上，使得立体扫描相机仅在暗场照明进行照明时将镜面区域视为暗区。借助于暗场照明，可以采用简单的方式区分镜面区域和非镜面区域。可以在频率复用中应用亮场照明和暗场照明。也即：亮场照明具有光源，其波长范围与暗场照明的光源存在差异。如果立体扫描相机是彩色相机，则可以使用各个颜色通道来检测明场照明和暗场照明的各个频率范围。原则上，也可以在时分复用中应用亮场照明和暗场照明，即：在一定时间点将亮场照明接通，并在另一个时间点切换城暗场照明。由于可以一次照明较大的区域，这对于表面扫描相机尤为有效。在线性扫描相机中，时间复用实际上只能在有限的分辨率或采样速率下进行，因为由于采用时间复用，需逐行对待扫描表面进行扫描，所需时间是扫描的两倍。亮场照明和暗场照明也可以设计成具有不同的偏振面，使得它们可以同时被照射到待扫描表面上，并且可以分开检测。

3.也可借助探测本征结构来确定非镜面区域。此时须专门照亮图像的暗区。对比度高时，通过照亮明亮度低于预定波长值的区域，可自动执行该操作。

优选布置相机模块的镜头时，使得扫描区域位于焦点区域内，在该焦点区域内，两个镜头的图像清晰度具有预定的最小锐度，且该区域为投影装置的投影锐化区域，在该区域内，采用预定的投影锐化度对测量图像进行投影，并且投影锐化区域与焦点区域重叠，并且该重叠的聚焦区域限定了相机模块在观察方向上的扫描区域。由此确保可以可靠地检测投影的测量图像，并且可以基于差异来确定纵剖轮廓。

优选地将最小清晰度定义为：具有一定线宽的规则黑白线型图像的至少15％二次调制，该线宽与测量图像最小图像单元的宽度一致。

发明工艺适用于用于拍摄线性扫描图像的线性扫描相机。在此类线性扫描相机内，测量图像原则上可以是一维图像。在此情况下，最小图像单元的宽度即一维测量图像内图像单元的最小长度。即使拍摄到线性扫描图像，也优选地将二维、尤其是带状测量图像用作测量图像，因为测量图像与线条的的对准比一维测量图像的对准明显更粗糙。一维测量图案必须基本上垂直于待扫描表面的投影，因此在实践中意义不大。

优选将最小清晰度定义为这种规则黑白线状图像的至少20％，尤其至少30％，或至少40％的残余调制。

为了能够确定两张图片中的第一张(也可能是一张行图像)内的差异，优选地读出各预定图像点周围的参考片段，在第二张图片一个区域的图像点周围的参考片段，被布置在多个位置上，此时第二张图片的图像点与第一张图片的图像点在几何形状上一致。在第二张图片中，计算第一张图片参考片段每一个位置的相关值，该值显示，第一张图片参考片段与第二张图片各区域的符合精确度。选择可以确定最佳相关值的第二张图片参考片段的位置，所选位置处的第一张图片参考片段预定图像点，与第二张图片几何形状对应处的图像点之间的间距，被视作第一张图片预定图像点存在的差异，该确定差异的方法重复用在确定第一张图片预定区域内的其他图像点的差异。

确定差异时，可优选地生成近似函数，该近似函数可描述参考片段与相应相关值之间的关联。此时可将间距确定为差异，近似函数在该差异处存在最大值(＝最大相关性)。

图像点强度值差的平方和或交叉相关值可算为相关值。

采用该工艺可对镜面表面进行扫描。采用该工艺也可对既具有镜面，也具有非镜面的表面进行扫描。针对不具有结构且特别是具有暗表面的非镜面表面，可以采用该发明工艺轻松地实现高分辨率。因此，也可将本发明工艺与传统工艺(例如立体扫描或激光三角测量)组合使用，可选采用高分辨率扫描表面的非镜面片段。

根据本发明的另一方面，配备有一种至少包括两个相机模块的装置，每个相机模块各具有一个镜头和一个传感器，尤其是串行传感器，其布置方式满足：能分别对待扫描表面的同一片扫描区域生成扫描图片，且该立体扫描相机具有一个控制装置，可用于执行上述说明的工艺。

在后文中借助图纸对该发明进行更为详细的说明。图纸为：

图1 采用立体扫描相机扫描表面，装置立体透视图，

图2 对用图1展示的相机拍摄到的图片的差异进行测量图示，

图3-5 用于扫描表面的相机的布置和不同设备的照明装置图示，

图6 表面扫描工艺流程图，

图7 装置立体透视图，采用立体扫描相机和投影装置扫描表面，该装置相对于待扫描表面的垂线倾斜。

首先借助采用立体扫描相机2的光学扫描装置1的第一个实施示例(图1)对该发明进行说明。扫描装置1除了具有相机2之外，还具有照明装置或投影装置3和控制装置4。此外，扫描装置可能配有运动检测器5，用该运动检测器可扫出待扫描目标或被移动至输送方向7上的输送带6的运动状况。投影装置3可将预定图像投影到投影区域内。此时，投影装置3具有一个镜头。但该镜头并非投影装置3的必要部件，例如：下文的说明和图3中展示的实施示例。

原则上也可移动扫描装置1且让待扫描表面静止不动。

在上述的实施示例中，立体扫描相机2具有四个相机模块8、9、10、11。相机模块8、9、10、11中的每一个均由镜头12和图片传感器(未展示)组成。

而发明工艺原则上仅需两个相机模块。在上述的实施示例中，不同的相机模块配有滤色器，以便不同的相机模块拍摄到不同的色彩。由此可对待扫描目标进行光谱分析，在德国专利申请DE 10 2015 111 120中对此进行说明。但上述的扫描装置可配置具有其他过滤器(例如极化滤波器)或不配置光谱过滤器或无特殊过滤器(例如极化滤波器)。

相机具有单行串行传感器芯片，该串行传感器芯片的各个片段组成了各个相机模块8、9、10、11的相应图片传感器。在该发明之内也可实现让每个相机单独配置一片独立的传感器芯片。该芯片也可以是一块表面传感器。

四个相机模块8、9、10、11的对准情况使得所有四个相机模块能扫描到输送带6的某共同区域。该共同区域为横向于输送方向7的连续照准线13。

照明装置3为投影装置，配置有一个光源和用于将图像投影到照准线13区域内的输送带6上的镜头。在上述实施示例中，图像为带有多条明暗交替条带的带状图或线状图14。生成带状图14的方法为：布置在投影装置3内、带状的光栅成像在输送带6上。光栅可设计成玻璃板或塑料薄片，其中刻有或压印有光栅线，或气相喷镀有金属层。

也可能还配有其他照明装置，对照准线13以均衡光线(无带状图像)进行照明。此类其他照明装置也可由亮场照明和/或暗场照明和/或透射光组成。不同的光源可交替对待扫描目标进行照明(时间复用)，或向其照射不同颜色的光(频率复用)。此即为复用照明。在德国专利DE 10 2015 105 656中举例对在此提及的复用照明进行说明。

同后文中的详细说明，可采用光学扫描装置1获取待扫描表面的空间结构。沿着照准线13存在扫描区域15，沿着各个相机模块8-11光学轴16，该扫描区域在朝向相机2的方向上延伸出一块，在背离相机2的方向上也延伸出一块。

涉及立体扫描相机2的投影装置3的布置参见图3。

立体扫描相机2聚焦在扫描面17上，该扫描面也被视为相机的焦平面或相机主平面。由各个相机模块的镜头将扫描面17扫描至传感器芯片上，在该芯片上，在扫描面17周围有一块锐聚焦区20。采用照明装置或投影装置3可将带状光栅21投影至待扫描目标22上。

在该结构形式下，带状光栅21位于锐聚焦区20内。由此，在镜面区域情况下，可将带状光栅21成像在相机模块8-11的传感器上。

因此，本发明基于以下结论：借助于具有物体的镜面表面，采用相机模块8-11，当带状光栅21位于锐聚焦区20中时，可以直接观察带状光栅21。

带状光栅21的设计和布置，使得投影到物体22上的带状光栅21的各条带形成带状图像，该带状图像与照准线13大致成横向交叉，该照准线参见图3图框。被投影的带状图像的长度至少与照准线13的长度一致。选择条纹图像的宽度时，使得即使当测量目标22与输送方向7正交地倾斜时，照准线13被带状图像完全覆盖。

条装光栅21在锐聚焦区20中的布置确保了带状光栅可在相机模块的传感器上成像。由于待扫描的物体22的表面也位于锐聚焦区20中，因此该表面也将被在相机模块的传感器上成像。

扫描区域15通过相机模块8-11的锐聚焦区和投影装置3的投影锐化区域的重叠形成。

锐聚焦区即：相机模块8-11镜头12的图像清晰度具有特定最小清晰度的区域。投影装置3的投影锐化区域即：将已采用投影装置3投影的测量图像，用预定投影锐化度进行投影的区域。扫描装置3的镜头采用优选布置，使得将测量图像成像在扫描区17上，该扫描区既不与输送带6的表面重合，也不输送带上部的某小块重合，也不平行于输送带上部。布置和设计镜头12时，使得扫描区17精准地成像在布置在各个相机模块8-11中的传感器芯片上。由于需要采用扫描装置1对具有空间轮廓的目标进行扫描，原则上该目标可能部分延伸至扫描面17以上或以下。如果扫面区17与输送带6的表面重叠，则显然，目标仅可位于扫描面上部区域。待扫描物体的某一点与扫描面17越远，则目标该点上的图像投影越模糊，且各个相机模块8-11获取的该点也越模糊。

此情况的前提假设为各个相机模块8-11的设计是相同的，使得它们都具有相同的锐聚焦区。原则上各个相机模块8-11的设计也可不同，且具有不同大小的锐聚焦区。在此情况下，扫描区域15通过相机模块8-11的最小锐聚焦区与投影锐化范围的重叠来形成。

投影或成像的锐化度如下定义：

由多条宽度相等、间隔宽度等于线条宽度的平行黑色线组成的周期性行图像，一方面采用投影装置虚拟投影到扫描面17上，另一方面被相机模块8-11捕捉到扫描面17上。投影时，分别可在黑色线条区域获得一个最小强度(min(I))，在间隔区域内获得一个最大强度(max(I))。当利用相机模块成像时，在扫描面17中布置这样一个完美的线条图像，以便确定各个相机模块成像的清晰度。

可自由选择扫描面17上该图像线条的宽度。然而，选择该线宽度时使得其大致与照准线13方向上的测量图像最小单元的宽度一致，则更为有利。如果使用线条或带状图像作为测量图像，则最小单元的长度与测量图像的最薄条带的宽度一致。由此可确保，投影或成像的锐化度正确。

将残余调制c(也称为迈克尔逊对比度)用作锐度值，并根据下式计算：

最小锐度值c至少为15％。最小锐度值c优选地至少为20且尤其最少为30％。

由此，扫描区域15是照准线13周围的区域，其中投影锐度和景深均具有预定的最小锐度c。

在原型中使用相机模块，其中传感器芯片的图像点的尺寸为30μm。针对锐聚焦区，残余调制c为30％数值情况如下：

每个周期均包含一条暗线和一条亮线。线的宽度等于每个周期宽度的一半。

在后文中对在上述描述的扫描装置1中使用、对输送方向7上运动的表面进行扫描的工艺进行说明(图6)。为简化说明，仅借助两个组成立体扫描相机的相机模块进行说明。该方法可以扩装成多相机系统，可自定义该多相机系统中相机模块的数量。

该工艺从步骤S1开始。

采用此两个相机模块8、9，可拍摄到在传送方向7上运动的输送带6的表面、或者位于输送带6上的物体的表面的多张相邻串行图片(步骤S2)。对串行图片的每一次拍摄均由运动探测器5控制，方式为：扫描待扫描物体上间距均匀的照准线13上的每个串行图片。各个串行图片可以组合成彩色或多通道区域图像，其中第一区域图像是利用相机模块8生成的，第二区域图像是通过相机模块9生成的。多通道区域图像在各个图像点处包含几个强度值，该强度值可能源自不同颜色通道的强度。在RGB传感器芯片中存在独立的红色、绿色和蓝色传感器线，相应分别存在红色、绿色和蓝色的强度值。这些不同的强度值可以生成彩色图，但并非必须。

这些彩色图被转化城第一和第二灰度级区域图像(步骤S3)。在此可以使用将彩色图像转换成黑白图像的传统算法。还可以使用将彩色图片中包含的信息转移成相应的灰度图像的变换方法。在德国专利DE 10 2015 111 120中举例对该转换方法进行说明。

将彩色图片转换为特征图像或灰度图像，其中每个图像点仅分配单个强度值，有利于简化下文中对确定差异进行的说明。原则上也可以使用能立即生成灰度图像的黑/白传感器芯片。然后，特征图像每个图像点仅具有单个强度值，并且不需要转换成这样的特征图像。

计算第一区域图像与第二区域图像之间的的差异(步骤S4)。此时在第一区域图像中，在图像点F₀(x，y)周围18um选择了一块参考片段。在本实施示例中，参考片段18是侧边长度为b的正方形。该参考片段18叠加在第二区域图像的搜索窗口19中，叠加方式为参考片段的中心图像点F₀(x，y)与第一区域图像的图像点F₁(x，y)重叠。

如果待扫描的表面十分平坦，相机模块与它们的光轴准确地对准这个表面，各个相机模块无畸变且无失真的，并且相机模块的光谱灵敏度相同，则可采用多个相机模块对待扫描表面的共同区域拍摄图片，此时这些相机模块只能通过线性位移精确对齐，其中各个图片的所有图像点都准确地再现待扫描表面的图像点的颜色或光强度。此图像点虚构位置在下文中称为几何位置，也即待扫描的表面上的各个图像点的位置，且该图像点产生与平坦的表面且无失真和畸变。由于针对上述相机，首先对各个颜色的部分图片进行纠正，以便于符合对极条件，所以Y方向上的参考片段18可以与Y方向上的搜索窗口19的对应位置精确地重叠。

然而，在串行方向上或沿着照准线13的方向，在表面的不同高度处，其几何位置图像点存在极大偏差。因此，参考片段18在搜索窗口19中沿着行方向或x方向布置在几个位置，布置的方式使得参考片段18的各个中心图像点分别与搜索窗口19的图像点重叠，其中重叠的两个图像点具有相同y值。参考片段18相对于搜索窗口19中的几何位置的位移在图2中显示为D(x，y)。位移D(x，y)标记为与几何位置的距离。

在搜索窗口19中与参考片段18重叠的图像点的数量在图2中标记为w。

参考片段18的边缘长度为11至29个图像点，尤其是19至21个图像点。与参考片段18重叠的图像点w的数量优选为至少10，尤其是至少20，至少40或至少50，优选至少100或至少300，或尤其是至少500。

搜索窗口的宽度为w+b-1(图2)。参考片段18的边缘长度b优选地不超过搜索窗口19宽度的三分之一，尤其不超过搜索窗口19宽度的四分之一或五分之一，优选地不大于索窗口宽度的十分之一。

对于搜索窗口19中的参考片段18的每个位置计算相关值。相关值是度量第一区域图像参考片段18的图像点与的第二区域图像的图像点叠加一致性程度的数值。可以使用间距平方的和(SSD：平方差的和)作为相关值。该值越小，则一致性越好。也可将其他可以描述两个矢量区别的度量用作相关值。例如：该值可以是欧氏距离或交叉相关值。其他合适的度量包括ZNCC(Zero mean Normalized Cross-Correlation，零均值归一化互相关)，自适应二进制窗口(adaptive binary window)，POC(相位相关，相位相关)，Three-Moded Census，引导图像滤波(guided image filter)，或最小生成树(minimum spanning tree)。

选择搜索窗口19内具有最佳相关数值的的参考片段18的位置来确定差异。在该位置处的参考片段18的距离D(x，y)为分配给第一区域图像中的相应图像点F₀(x，y)的对应视差值。

针对预定相关范围内第一区域图像上的所有图像点，重复对该差异进行确定。或者，还可以进一步的虚拟像素、特别是黑色像素补充搜索窗口的边缘处，使得参考片段18的中心可以与搜索窗口的每个图像点重叠。

在上述方法中可确定第一和第二区域图像之间的差异(步骤S4)。

由于用投影装置3采用测量图像对待扫描目标进行照射，该测量图像在前述的实施示例中为带状图像，所以用相机模块记录的图像包含相应的结构。因此，具有具有光滑表面的物体也显示了拍摄图像中的结构。这种结构使得，采用不同相机模块拍摄的图片的参考片段，彼此非常精准地分配，并达到明显的相关性。对此，各个图像中的结构明确，此情形非常有利。因此，条纹图像优选地设计成使得任意的参考片段在带状图像中只出现一次。可根据最大长度串行(MLS：maximum length sequence)来设计带状图像。这种图像总是在非常长的串行上具有不同的设计，导致参考片段不会重复且清晰显示。

如同上文中的说明，由于此方式下短的参考片段不清晰显示，则非常短的参考片段与很少几个图像点不利。参考片段越长，则参考片段清晰显示的可能性越高。因此，由于参考片段18必须明显小于搜索窗口19，所以不能任意选择参考片段，否则只能通过搜索窗口的小片段来确定差异。

根据下列公式计算纵剖轮廓

其中R代表表面与立体扫描相机的待测量距离，B代表立体扫描相机光学特性，f代表相机模块镜头的焦距，通过该相机模块可将生成测量图像的投影单元成像到各自的相机模块中，且a是一个与将光从待扫描物体反射到相机模块传感器的光程相关的系数。针对镜面表面，a的值等于2，因为光程从投影装置延伸到待扫描的表面，并且从该处到达相应的相机模块。针对非镜面表面，非镜面表面成像在相机模块的传感器上。光程此时仅为待扫描表面和相机模块传感器之间的单程光程。因此针对非镜面表面，a的值为1。

如果至少相机和其观察方向与待扫描表面的方向垂直，则上述公式适用。针对镜面表面，之后也应将投影装置布置成使得光束基本上垂直于待扫描表面。此针对相机和投影装置与待扫描表面之间的大间距有效。但如果相机和投影装置(优选得)相对于待扫描表面的垂线倾斜，且倾斜角度为a(图7)，则可通过下列用于镜面表面的公式和用于

非镜面表面的公式来替换上述公式：

可以使用待扫描物体的CAD数据区分待扫描表面的镜面和非镜面区域。CAD数据包含可区分出镜面和非镜面区域的材料特性。使用光学图像分析方法，可识别待扫描的物体，并与CAD数据相符合。光学图像分析方法也可以用于自动识别边缘，由此也可以自动检测具有多个镜面和非镜面区域的物体。

或者也可以组合使用非漫射亮场照明和漫反射暗场照明。针对镜面表面，漫反射暗场照明被反射在所有可能的方向上，使得立体扫描相机仅在暗场照明进行照明时将镜面区域视为暗区。借助于暗场照明，可以采用简单的方式区分镜面区域和非镜面区域。可以在频率复用中应用亮场照明和暗场照明。

检测非镜面区域的另一个替代方案为检测本征结构。仅非镜面表面才具有本征结构，借此可以在图像中可以识别它们。

此类区别法仅在同时具有镜面和非镜面表面的物体上可行。仅具有镜面表面的物体无需进行此区别，可采用预定的系数进行计算。

图4展示替代性布置，基本与图3相符，因此图4中与图3中相同的单元标记相同，不再予以说明。

在这种布置中，投影装置3具有一个镜头23，该镜头可将带状光栅21成像在投影图像平面24上。在投影图像平面24周围设计有投影锐化区域25。然后，通过投影装置3的镜头23和相机模块相应的镜头的组合，针对待扫描物体的镜面表面，将带状光栅成像到相机模块的传感器上。换言之，由相机模块的镜头和投影装置的镜头之一构成的一对镜头，形成复合镜头，该复合镜头的焦距将从带状光栅21出发的光程引导向相应相机模块的传感器。由此，该相机模块和复合镜头聚焦在带状光栅上。

锐聚焦区20和投影锐化区域25重叠的区域形成扫描区域26，其在图4中显示为阴影区域。

优选地，立体扫描相机2和投影装置3被布置在与待扫描物体22相距很远的位置处，使得立体扫描相机2或各个相机模块8-11的光轴和投影装置3的光轴27以非常小的角度互相组合，由此，扫描面17和投影图像平面24相应成角很小，且锐聚焦区20与投影锐化区域25尽可能重叠。

对投影装置3和立体扫描相机2的布置做出的进一步修改如图5所示，其基本上对应于图4的实施示例，区别在于：可将右边角落里的投影装置3的光轴27通过半透镜28偏转到待扫描目标22的方向上，并将其与半透镜28和待扫描物体22之间区域内的立体扫描相机的光轴16重合。由此，扫描面17和投影图像平面24彼此平行。在本实施示例，扫描面17和投影图图像平面24甚至重合，也即，投影装置3采用镜头23将条带光栅21精确地成像到立体扫描相机2的扫描面17中。在该实施示例中，投影锐化区域25比锐聚焦区稍小，由投影锐化区域25同时形成扫描区域26。

在该实施示例中扫描区域26可设计成最大。使用半透镜28可能丢失已知的光效率。

对于光学扫描装置做出的进一步修改如图7所示。立体扫描相机2和其观察方向与垂线29成α角度。投影装置3相对于垂线29的倾斜布置，使得由投影装置3引导到扫描区域15上的光束31再次包围角度a。

待扫描物体22是透明板，特别是玻璃板，使得来自投影装置3的光被反射在第一上表面、玻璃板上投影装置3侧的空气和玻璃的边界、下边界、受投影装置折射一侧的玻璃和空气的边界上。结果，光束同时从物体22的带状光栅21的不同点反射到立体扫描相机2上。此将导致存在双重性。因此，两条光束31中的一条被隔离板30吸收，隔膜30被布置成与投影装置3相邻或设计在投影装置3中，并且因此远离立体扫描相机2。

在本实施示例中，作为生成测量图像的单元的带状光栅21，被设计成与隔离板30成一体化。例如，带状光栅21被设计为在玻璃板上形成的铬带，并且隔离板形成在相同的玻璃板上，作为较大的完全镀铬的区域，其完全阻止从玻璃板上通过。如图7所示，带状光栅21的条带平行于图7的图像平面，因此在图7中不可见。在该隔离板30附近，优选地布置有黑色体32，该黑色体可隔绝从隔离板上反射的光。

这确保仅仅在物体22的边界或表面反射的一条光束能够到达立体扫描相机2。由此可避免由立体扫描相机2拍摄的测量图像存在双重性。

利用上述所有布置，可以可靠地扫描轮廓镜面表面，此时借助作为测量图像的带状图像的投影，通过各个相机模块获取的图像中存在允许对不同图片的参考片段进行明确分配的结构。由此可以非常高的准度确定差异，并非常精确地确定相应的纵剖轮廓。该装置和上述工艺也可以直接用于扫描非镜面表面，由此在非镜面表面的情况下，该结构通常由待扫描物体的表面中已经存在的结构产生，所述投影测量图像可产生附加结构。由于非镜面表面反射比镜面表面的反射教过更弱，因此对于非镜面表面而言，投影测量图像产生的效果比镜面表面小。因此，在特定情况下，也可以方便地使用根据本发明的方法专门用于扫描镜面表面，并将其与用于非镜面表面的三维非接触式扫描方法组合(例如立体扫描和激光三角测量)。

在上述描述的实施示例中，通过线性扫描相机生成区域图像。同样可通过表面扫描相机实现本发明，代替串行传感器，表面扫描相机配有表面传感器，该传感器具有句型传感器表面。

利用基于本发明的工艺，也可以仅产生行图像而不是表面图像，此时借助扫描同一块扫描区域的不同相机模块的行图像，可确定差异并由此确定纵剖轮廓。使用行图像时，为确定参考片段与区域图像之间的相关性，须执行明显更少的计算过程，因此可明显更快、更有效地确定行图像之间的差异。因此，行图像的使用对于扫描沿输送方向7快速移动的物体是有利的。

当使用行图像时，原则上也可以使用一维测量图像而不是诸如上述带状图像的二维测量图像。然而，二维测量图像是有利的，因为它可以更容易地与照准线13重叠。

在上述实施示例中，使用带状图像作为测量图像。原则上，其他图像可用。然而，优选使用条纹图像，因为待扫描对象与投影装置3或相机模块2之间的倾斜对检测到的被检测物体的三维坐标影响最小。

在上述实施示例中，使用多个各自具有一个镜头的相机模块。在上面的解释中，假设镜头在设计上基本相同。因此，这些镜头具有基本相同的锐聚焦区，因此不同的锐聚焦区被视作同一锐聚焦区。如果相机模块具有不同的镜头，则具有空间放缩度的锐聚焦区为扫描区域的决定因素。

在上述实施示例中，根据步骤S3将利用相机模块获取的彩色图像转换成第一和第二灰度区域图像。然而，也可以分别查看彩色相机的各个色彩通道。例如，可以用于同时投影不同颜色(例如：红色、绿色和蓝色)的几种图像，并且在每种情况下都可以采用一条颜色通道将投影至彩色相机中。由此可多倍放大分辨率。例如针对三个彩色图像，分辨率可放大三倍。例如，这种多重图像可以用交替地印有红色、绿色和蓝色条纹的膜来生成。该条带可全部为同样的宽度。则清晰的范围很小，因此必须选择这么短的参考片段。条带也可以设计成不同的宽度，以便提供更长、清晰的参考片段。

相关标记列表

1 光学扫描装置

2 立体扫描相机

3 照明装置

4 控制装置

5 运动探测器

6 输送带

7 输送方向

8 相机模块

9 相机模块

10 相机模块

11 相机模块

12 镜头

13 照准线

14 带状图像

15 扫描区域

16 光轴

17 扫描面(相机主平面)

18 参考片段

19 搜索窗口

20 锐聚焦区

21 带状光栅

22 镜头

23 镜头

24 投影图图像平面

25 投影锐化区

26 扫描区域

27 光轴

28 半透镜

29 垂线

30 隔离板

31 光束

32 黑色体

Claims (22)

1.采用立体扫描相机对表面进行扫描的工艺和装置，该立体扫描相机至少配有两个相机模块，各配有一个镜头和一个传感器，其布置方式满足：能分别对待扫描表面的同一片扫描区域生成扫描图片，至少有一台投影装置用于对扫描区域内特定的测量图像进行投影，投影时相机模块聚焦在投影装置上，以便于生成测量图像的投影单元能够成像到各自相机模块中，此时可借助两个相机分别抓取到的测量图像确定差异，并借助该差异生成纵剖轮廓。

2.根据权利要求1的工艺，

表明，

借助镜面表面的图片确定的差异，可以根据下列公式，从差异计算出纵剖轮廓

其中R代表表面与立体扫描相机的距离，B代表立体扫描相机光学特性，f1代表相机模块镜头的焦距，通过该相机模块可将生成测量图像的投影单元成像到各自的相机模块中。。

3.根据权利要求1的工艺，用以扫描镜面和非镜面表面，扫描非镜面表面时，相机模块聚焦在非镜面表面上由此，非镜面表面成像在各自相机模块上，且借助通过两个相机模块拍摄到的图片内所包含的结构来确定差异，且借助该差异来计算纵剖轮廓。

4.根据权利要求3的工艺，

表明，

针对借助非镜面表面的图片确定的差异，可以根据下列公式，从差异计算出纵剖轮廓

其中R代表表面与立体扫描相机的距离，B代表立体扫描相机光学特性，f2代表相机模块镜头的焦距，通过该相机模块可将待扫描的表面拍摄至相机模块内。

5.根据权利要求3的工艺，

表明，

焦距被设置在待扫描表面和投影装置之间区域的相机模块的镜头，其设置使得待扫描表面和投影装置均位于镜头焦点区域内。

6.根据权利要求3的工艺，

表明，

相机模块的镜头交替地聚焦在待扫描表面和投影装置上，其中一次将待扫描表面，另一次将生成测量图像的投影单元成像到相应的相机模块上。

7.根据权利要求3的工艺，

表明，

可以根据用于镜面表面的下列公式

和用于非镜面表面的下列公式，计算出纵剖轮廓：

其中R代表表面与立体扫描相机的距离，B代表立体扫描相机光学特性，f1代表相机模块镜头的焦距，通过该相机模块可将生成测量图像的投影单元成像到各自的相机模块中，且f2代表相机模块镜头的焦距，通过其将待扫描表面成像到相机模块中，相机和投影装置相对于待扫描表面倾斜，且倾斜角度为α。

8.根据权利要求1，

表明，

优选布置相机模块的镜头时，使得扫描区域位于焦点区域内，在该焦点区域内，两个镜头的图像清晰度具有预定的最小锐度，且该区域为投影装置的投影锐化区域，在该区域内，采用预定的投影锐化度对测量图像进行投影，并且投影锐化区域与焦点区域重叠，并且该重叠的聚焦区域限定了相机模块在观察方向上的扫描区域。

9.根据权利要求8的工艺，

表明，

将最小清晰度定义为：具有一定线宽的规则黑白线型图像的至少15％二次调制，该线宽与测量图像最小图像单元的宽度一致。

10.根据权利要求1的工艺，

表明，

确定：待扫描表面是否具有镜面区域和/或非镜面区域，并分别根据不同的公式计算在镜面区域和非镜面区域内的纵剖轮廓。

11.根据权利要求10的工艺，

表明，

根据下列方法之一或多个来确定待扫描表面的镜面或非镜面区域：

-借助待扫描物体的CAD数据，优选地组合光学图像分析方法对边缘进行自动识别，

-在频率复用、时间复用中采用亮场照明(非漫射)用于镜面区域，采用暗场照明(漫射)用于非镜面区域，或采用不同偏振，

-确定被评为非镜面区域的、具有本征结构的区域。

12.根据权利要求1的工艺，

表明，

为了能够确定两张图片中的第一张，优选地读出各预定图像点周围的参考片段，在第二张图片一个区域的图像点周围的参考片段，被布置在多个位置上，此时第二张图片的图像点与第一张图片的图像点在几何形状上一致。

在第二张图片中，计算第一张图片参考片段每一个位置的相关值，该值显示，第一张图片的参考片段(18)与第二张图片相应区域的符合精确度，其中选择可以确定最佳相关值的第二张图片参考片段(18)的位置，可对此确定最佳相关值所选位置处的第一张图片参考片段预定图像点，与第二张图片几何形状对应处的图像点之间的间距，被视作第一张图片预定图像点存在的差异，该确定差异的方法重复用在确定第一张图片预定区域内的其他图像点的差异。

13.根据权利要求12的工艺，

表明，

确定差异时，可生成近似函数，该近似函数可描述参考片段与相应相关值之间的关联，其中距离被确定为差异，且近似函数在此处具有最小值。

14.根据权利要求12的工艺，

表明，

图像点强度值差的平方和或交叉相关值算为相关值。

15.根据权利要求1的工艺，

表明，

在测量图像内，参考片段在预定长度下清晰显示。

16.根据权利要求15的工艺，

表明，

投影测量图像时，具有参考片段长度的部分图像，在等于可最大程度确定差异的长度下，不会重复出现。

17.根据权利要求15的工艺，

表明，

投影测量图像时，具有参考片段长度的部分图像，在等于搜索窗口(在该搜索窗口内对测量图像进行差异检查)的长度下，不会重复出现。

18.根据权利要求15的工艺，

表明，

投影测量图像时，具有参考片段长度的任意部分图像在被投影测量图形内清晰显示。

19.根据权利要求15的工艺，

表明，

可采用相机模块分别生成行图像。

20.装置至少配置一台立体扫描相机，该相机至少配有两个相机模块，各配有一个镜头和一个传感器，其布置方式满足：能分别对待扫描表面的同一片扫描区域生成扫描图片，立体扫描相机配置有一台控制装置，可用于执行该工艺，其中至少有一台投影装置用于将特定的测量图像投影至扫描区域内，投影时相机模块聚焦在投影仪或投影装置上，以便于生成测量图像的投影单元能够成像到各自相机模块中，此时可借助两个相机分别抓取到的测量图像确定差异，并借助该差异生成纵剖图。

21.根据权利要求20的装置，

表明，

传感器为串行传感器。

22.根据权利要求20所述的装置，表明该装置配置有临近设置在投影装置(3)旁或设在投影装置(3)内的隔膜(30)，可用于使得从板状物体22发射到立体扫描相机(2)的两束光线之一消失。