CN113029038A - 三维几何形状测量装置和三维几何形状测量方法 - Google Patents

Abstract

一种三维几何形状测量装置，包括：初步测量部412，其产生指示参考仪器上的参考点的三维坐标的多个初步测量数据；参考数据产生部43，其产生参考数据；计算部44，其基于参考数据和与参考数据不匹配的初步测量数据，来计算校正值；目标测量部411，其产生指示对测量对象的测量点进行测量的结果的目标测量数据；校正部45，其基于校正值校正与不匹配参考数据的初步测量数据对应的测量系统中的目标测量数据；以及几何形状识别部46，其使用校正后的目标测量数据来识别测量对象的几何形状。

Description

三维几何形状测量装置和三维几何形状测量方法

技术领域

本公开涉及一种用于测量测量对象的三维几何形状的三维几何形状测量装置和三维几何形状测量方法。

背景技术

光图案投影方法使用三角测量原理，并且通过将条纹图案从投影仪投影到测量对象上，然后通过利用诸如照相机的光学器件拍摄沿着测量对象的几何形状变化的图案，来执行三维(3D)几何形状测量。日本未审查专利申请号2019-516983描述了在光图案投影方法中通过使用多个光学器件来拍摄投影到测量对象上的图案。

发明内容

本发明要解决的问题

在日本未审查专利申请号2019-516983所述的方法中，在使用多个光学器件中的一个测量测量对象的几何形状的情况与使用另一光学器件测量测量对象的几何形状的情况之间存在测量结果不同的问题。

本公开着眼于这一点，并且本公开的目的是提供三维(3D)几何形状测量装置和3D几何形状测量方法，其能够在使用不同的光学器件来测量测量对象的几何形状时防止发生测量结果的不一致。

解决问题的手段

第一方面的一种3D几何形状测量装置，用于基于通过拍摄测量对象获得的拍摄图像来测量测量对象的三维几何形状，该三维几何形状测量装置包括：多个光学器件；初步测量部，其通过在与多个光学器件中的不同光学器件的组合对应的多个测量系统中拍摄参考仪器，来产生多个初步测量数据，这些初步测量数据指示参考仪器上的参考点的三维坐标；参考数据产生部，其基于多个初步测量数据中的一个或多个来产生参考数据；计算部，其基于参考数据和多个初步测量数据中与参考数据不匹配的初步测量数据，来计算校正值；目标测量部，其产生多个目标测量数据，这些目标测量数据指示利用多个测量系统对测量对象的测量点进行测量的结果；校正部，其基于校正值校正与不匹配参考数据的初步测量数据相对应的测量系统中的目标测量数据；以及几何形状识别部，其使用利用校正部校正的校正后的目标测量数据来识别测量对象的几何形状。

初步测量部可以通过拍摄安装在多个安装位置处的参考仪器来产生初步测量数据，该初步测量数据指示在多个安装位置处的参考仪器的参考点的三维坐标，并且计算部可以计算与多个安装位置处的参考点相对应的校正值。参考数据产生部可以通过计算参考点的三维坐标的统计量来产生参考数据，参考点的三维坐标由与多个测量系统相对应的多个初步测量数据指示。

三维几何形状测量装置还可以包括获取部，其获取指示参考仪器中包括的多个参考点的位置关系的相对位置信息，其中，初步测量部可以产生指示多个参考点的三维坐标的初步测量数据，并且参考数据产生部可以通过以下方式来产生参考数据：基于与由相对位置信息指示的位置关系的误差，来选择指示多个参考点的三维坐标的初步测量数据。

初步测量部可以产生指示参考仪器上的多个参考点的三维坐标的初步测量数据，并且参考数据产生部可以针对每个参考点通过选择与多个测量系统相对应的多个初步测量数据中的一个来产生一个参考数据。

参考数据产生部可以从与多个测量系统相对应的多个初步测量数据中，选择与光学器件的组合相对应的初步测量数据，利用这些光学器件的组合，参考点的三角测量精度变得最佳。初步测量部可以将包括用于识别参考点的图案的投影图像投影到参考仪器上。计算部可以识别用于计算与由测量系统测量的测量点的三维坐标相对应的校正值的函数，并且使用所识别的函数来计算校正值，该测量系统与不匹配参考数据的初步测量数据相对应。计算部还可以包括存储部，其存储表格，在该表格中，(i)多个测量系统的测量空间的各个网格点的三维坐标(该测量空间以相等的间隔用立方网格划分)、(ii)多个校正值、以及(iii)用于识别每个测量系统的索引彼此相关联，其中，校正部可以从存储部读取校正值，该校正值与最接近由目标测量数据指示的三维坐标的网格点的三维坐标以及指示与该网格点相对应的测量系统的索引相关联，并且校正部可以基于所读取的校正值来校正初步测量数据。

实施例的第二方面的一种三维几何形状测量方法，用于基于通过拍摄测量对象获得的拍摄图像来测量测量对象的三维几何形状，该三维几何形状测量方法包括以下步骤：通过用与多个光学器件中的不同光学器件的组合对应的多个测量系统拍摄参考仪器，来产生多个初步测量数据，这些初步测量数据指示参考仪器上的参考点的三维坐标；基于多个初步测量数据中的一个或多个来产生参考数据；基于参考数据和多个初步测量数据中与参考数据不匹配的初步测量数据，来计算校正值；产生多个目标测量数据，这些目标测量数据指示利用多个测量系统对测量对象的测量点进行测量的结果；基于校正值校正与不匹配参考数据的初步测量数据相对应的测量系统中的目标测量数据；以及使用校正后的目标测量数据来识别测量对象的几何形状。

本发明的有益效果

根据本实施例，实现了在使用不同的光学器件来测量测量对象的几何形状时防止测量结果发生不一致的效果。

附图说明

图1A和图1B例示了根据实施例的3D几何形状测量装置的概要。

图2示出了3D几何形状测量装置的配置。

图3A至图3F分别示出了投影到测量对象上的包括二元条纹图案的投影图像的类型的示例。

图4示出了与图3C至图3F所示的二元条纹图案相对应的格雷码(Gray codes)的示例。

图5A至图5D分别示出了具有正弦亮度分布的渐变条纹图案的示例。

图6示出了绝对投影坐标与相对投影坐标之间的关系。

图7示出了对应于第一拍摄像素的第二拍摄图像的核线的示例。

图8A和图8B各自示出了参考仪器的示例。

图9示出了如何测量参考仪器。

图10是示出了由3D几何形状测量装置计算校正值的处理过程的流程图。

图11是示出了由3D几何形状测量装置执行的识别测量对象的3D几何形状的处理过程的流程图。

图12A和图12B各自示出了在由参考数据产生部产生参考数据过程中如何选择测量系统。

具体实施方式

【三维(3D)几何形状测量装置100的概要】

图1A和图1B例示了根据实施例的3D几何形状测量装置100的概要。图1A示出了3D几何形状测量装置100的配置。3D几何形状测量装置100包括作为光学器件的第一拍摄部1、第二拍摄部2以及投影部3。3D几何形状测量装置100包括控制光学器件的各种操作的控制部4。

投影部3是具有诸如发光二极管或激光器等的光源的投影装置。投影部3将包括用于识别投影坐标的图案的投影图像投影到测量对象的测量面上。投影坐标指示组成投影部3投影的投影图像的投影像素的位置。投影坐标可以是指示投影图像的竖直或水平位置的一维坐标，或者是指示投影图像的竖直和水平位置的二维坐标。图案例如是条纹图案。投影部3的数量不限于一个，并且3D几何形状测量装置100可以包括任何数量的投影部。

第一拍摄部1包括透镜11和成像元件12。第一拍摄部1通过响应于投影部3将投影图像投影到测量对象上而拍摄投影在测量对象上的投影图像，来生成第一拍摄图像。第一拍摄部1以如下这种方式放置：第一拍摄部1的光轴与投影部3的光轴形成预定角度。

第二拍摄部2具有透镜21和成像元件22。第二拍摄部2通过响应于投影部3将投影图像投影到测量对象上而拍摄投影在测量对象上的投影图像，来生成第二拍摄图像。第二拍摄部2以如下这种方式放置：第二拍摄部2的光轴与投影部3的光轴形成预定角度。第二拍摄部2的光轴可以与第一拍摄部1的光轴和投影部3的光轴在同一平面内，但不限于此。控制部4例如由计算机实施。控制部4基于由第一拍摄部1和第二拍摄部2生成的多个拍摄图像，来测量测量对象的3D几何形状。进一步地，拍摄部的数量不限于两个，并且3D几何形状测量装置100可以设置有任意数量的拍摄部。

图1B例示了通过3D几何形状测量装置100的多个测量系统对测量对象的几何形状测量中的误差。3D几何形状测量装置100使用与不同光学器件的组合相对应的多个测量系统(第一测量系统和第二测量系统)来测量3D几何形状。

当使用第一测量系统时，3D几何形状测量装置100通过使用投影部3和第一拍摄部1来测量测量点P的3D坐标。如图1B所示，3D几何形状测量装置100在投影部3投影的投影图像所包括的投影像素中，识别哪个投影像素的光照射测量点P。在图1B所示的示例中，测量点P存在于所识别的投影像素的光所通过的光路L3上。

3D几何形状测量装置100识别在测量点P的3D坐标的测量中由第一拍摄部1拍摄的第一拍摄图像中包括的哪个第一拍摄像素中反映了测量点P。第一拍摄像素是包括在第一拍摄图像中的最小单位。在图1B所示的示例中，测量点P存在于与所识别的第一拍摄像素相对应的光路L1上。3D几何形状测量装置100使用三角测量法通过获得光路L3和光路L1的交点的位置来测量测量点P的3D坐标。

另一方面，当使用第二测量系统时，3D几何形状测量装置100通过使用投影部3和第二拍摄部2来测量测量点P的3D坐标。3D几何形状测量装置100识别在测量点P的3D坐标的测量中由第二拍摄部2拍摄的第二拍摄图像中包括的哪个第二拍摄像素中反映了测量点P。第二拍摄像素是包括在第二拍摄图像中的最小单位。在图1B所示的示例中，测量点P存在于与所识别的第二拍摄像素相对应的光路L2上。如上所述，由于测量点P存在于光路L3上，因此3D几何形状测量装置100通过获得光路L2和光路L3的交点的位置来测量测量点P的3D坐标。

当第一测量系统和第二测量系统中没有误差时，由于(i)光路L1与光路L2之间的交点和(ii)光路L1与光路L3之间的交点都与测量点P近似重合，因此，如图1B所示，不管利用哪个测量系统测量测量点P，3D坐标的测量结果都不会改变。因此，3D几何形状测量装置100可以通过使用例如多个测量系统的测量结果的平均值来提高测量精度。

然而，当由于透镜(未示出)的畸变等而在投影部3的投影像素的光所通过的光路中存在误差时，3D几何形状测量装置100识别出测量点P存在于由图1B中的虚线指示的光路L3’上。即，当由包括投影部3和第一拍摄部1的第一测量系统测量测量点P时，3D几何形状测量装置100错误地测量光路L1和光路L3’的交点P1的3D坐标作为测量点P的3D坐标。

进一步地，当由包括投影部3和第二拍摄部2的第二测量系统测量测量点P时，3D几何形状测量装置100将导致测量光路L2和光路L3’的交点P2的3D坐标作为测量点P的3D坐标。当测量点P1与测量点P2之间差异大时，3D几何形状测量装置100的测量结果的误差变大。

3D几何形状测量装置100校正各个测量系统的误差，以便防止3D坐标的测量精度的这种降低。更具体地，3D几何形状测量装置100通过预先测量预定参考仪器来产生指示多个测量系统中的测量数据的标准的参考数据。

使用该参考数据，3D几何形状测量装置100计算用于校正多个测量系统中的每一个的测量数据的校正值，并且通过使用所计算的校正值来校正与校正值相对应的测量系统中的测量数据。这样，3D几何形状测量装置100提高了测量点P的3D坐标的测量精度，并且防止了测量结果对于不同的测量系统而变得不同。

【3D几何形状测量装置的配置】

图2示出了3D几何形状测量装置100的内部配置。3D几何形状测量装置100除了包括图1所示的第一拍摄部1、第二拍摄部2、投影部3以及控制部4之外，还包括存储部5。

存储部5包括存储介质，包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘等。存储部5存储要由控制部4执行的程序。控制部4例如是中央处理单元(CPU)。通过执行存储在存储部5中的程序，控制部4用作测量部41、获取部42、参考数据产生部43、计算部44、校正部45以及几何形状识别部46。

测量部41利用投影部3将包括预定光图案的投影图像投影到测量对象等上。测量部41生成由第一拍摄部1和第二拍摄部2通过拍摄投影在测量对象等上的投影图像而拍摄的拍摄图像。测量部41通过拍摄预定参考仪器来生成拍摄图像。测量部41包括目标测量部411和初步测量部412。

目标测量部411通过利用多个测量系统测量测量对象的测量点来产生指示测量结果的多个目标测量数据。多个测量系统例如是下面的第一测量系统至第四测量系统。

第一测量系统：第一拍摄部1和投影部3

第二测量系统：第二拍摄部2及投影部3

第三测量系统：第一拍摄部1、第二拍摄部2以及投影部3

第四测量系统：第一拍摄部1和第二拍摄部2

【根据第一测量系统的测量】

利用第一测量系统，目标测量部411通过组合一个拍摄部和一个投影部来测量测量对象的测量点。目标测量部411通过投影部3将包括预定光图案的投影图像投影到测量对象上。图3A至图3F分别示出了目标测量部件411投影的包括二元条纹图案的投影图像的类型的示例。图3A至图3F中的黑色区域表示投影部3不投影光的非投影区域，而白色区域表示投影部3投影光的光投影区域。

图3A示出了光不被投影到测量对象的任何部分上时所采用的标准图案(即，全黑图案)。图3B示出了光投影到整个测量对象上时所采用的标准图案(即，全白图案)。图3C至图3F示出了二元条纹图案，其由光投影区域和非投影区域组成，并且在这些二元条纹图案中，对于各个投影图像具有不同宽度的条纹被布置在相同的方向上。

图3C至图3F所示的条纹图案对应于格雷码，并且用于识别投影坐标，这些投影坐标指示与拍摄图像中的第一拍摄像素相对应的投影图像的投影像素的位置。图4示出了与图3C至图3F所示的二元条纹图案相对应的格雷码的示例。通过将格雷码中的0与非投影区域相关联，并且将1与光投影区域相关联，生成图3C至图3F所示的二元条纹图案。

图3A至图3F以及图4中x方向上的各个位置由代码值表示，该代码值是格雷码中各个位置处的数字0或1的组合。图4中的位置0对应于代码值“0000”，位置1对应于代码值“0001”，而位置15对应于代码值“1000”。

目标测量部411将包括具有正弦亮度分布的渐变条纹图案的投影图像投影到测量对象上。图5A至图5D分别示出了具有正弦亮度分布的渐变条纹图案的示例。虽然图3C到图3F所示的二元条纹图案是由黑色区域和白色区域组成的二元图像，但是在图5A到图5D所示的渐变条纹图案中，阴影沿着条纹的宽度方向从白色区域到黑色区域以正弦方式变化。图5A到图5D的渐变条纹图案中的条纹之间的间隔是恒定的，并且渐变条纹图案中的条纹的空间频率是例如图3F的二元条纹图案的空间频率的四倍。

图5A至图5D的渐变条纹图案彼此的不同之处在于，指示亮度分布的正弦波的相位彼此相差90度，并且它们的亮度分布在其它方面相同。目标测量部411投影总共十个投影图像：图3A和图3B所示的两个标准图案、图3C至图3F所示的四个二元条纹图案、以及图5A至图5D所示的四个渐变条纹图案。图5A至图5D所示的渐变条纹图案与图3A至图3F所示的条纹图案一起用于识别投影坐标。

目标测量部411利用第一测量系统生成第一拍摄图像，其中，由第一拍摄部1拍摄投影到测量对象上的投影图像。目标测量部411基于第一拍摄图像中包括的图案来识别与第一拍摄图像的第一拍摄像素相对应的投影坐标。例如，目标测量部411分析第一拍摄图像中包括的图案中的阴影的变化，从而识别指示与第一拍摄图像中包括的第一拍摄像素相对应的投影像素的位置的投影坐标。

目标测量部411针对各个像素计算当投影图3A所示的全黑图案时的亮度值和当投影图3B所示的全白图案时的亮度值的平均值作为中值。类似地，关于在图3C至图3F的二元条纹图案被投影到测量对象上时拍摄的第一拍摄图像，目标测量部411通过将四个第一拍摄图像中的各个第一拍摄像素的亮度值与对应的中值进行比较来识别各个第一拍摄像素的代码值。通过识别代码值，目标测量部411可以识别在各第一拍摄像素的像素位置处反映的是在朝向不同位置投影的二元条纹内哪个二元条纹。目标测量部411识别包含在第一拍摄图像中的各个第一拍摄像素是包含在图4所示的位置1到位置15中的哪个位置。

进一步地，目标测量部411识别当具有正弦亮度分布的渐变条纹图案被投影到测量对象上时与第一拍摄图像中的第一拍摄像素相对应的正弦波的相位，并且基于所识别的相位来识别投影坐标。由于投影图像的渐变条纹图案具有周期性，因此投影图像中的多个投影像素具有相同的投影坐标。下文中，将投影图像中的周期性的投影坐标也称为相对投影坐标。此外，在投影图像中唯一确定的投影坐标也称为绝对投影坐标。

图6示出了绝对投影坐标与相对投影坐标之间的关系。图6的纵轴表示投影坐标。图6的横轴指示投影图像中包括的条纹的宽度方向上的投影像素的位置。宽度方向是与条纹延伸的方向正交的方向。如图6中的实线所示，相对投影坐标具有周期性。相对投影坐标对于具有正弦亮度分布的渐变条纹图案的重复的各个周期示出相同的值。另一方面，如图6中的对角延伸的虚线所示，绝对投影坐标在投影图像中唯一地确定。

目标测量部411通过分析渐变条纹图案的阴影来识别与第一拍摄像素相对应的相对投影坐标。目标测量部411基于由二元条纹图案指示的格雷码来识别第一拍摄像素对应于位置0到位置15中的哪个位置。目标测量部411基于由用格雷码识别的位置中的相对投影坐标指示的相对位置，来识别与第一拍摄像素相对应的绝对投影坐标。目标测量部411使用(i)第一拍摄像素的二维坐标和(ii)所识别的一维绝对投影坐标，通过使用三角测量原理来识别与第一拍摄像素相对应的测量对象上的测量点的3D坐标。

目标测量部411可以投影条纹的方向(即，条纹延伸的方向)不同的多个投影图像，并且针对条纹的方向不同的各个投影图像识别与第一拍摄像素相对应的投影坐标。目标测量部411可以将条纹方向不同的多个投影图像投影到测量对象上，并且针对条纹方向不同的各个投影图像识别与第一拍摄像素相对应的投影坐标。

【根据第二测量系统的测量】

在第二测量系统中，目标测量部411以与第一测量系统类似的方式通过组合第二拍摄部2和投影部3来测量测量对象的测量点的3D坐标。

【根据第三测量系统的测量】

在第三测量系统中，目标测量部411通过组合第一拍摄部1、第二拍摄部2以及投影部3来测量测量对象的测量点。目标测量部411以与第一测量系统类似的方式识别投影坐标，该投影坐标指示与第一拍摄图像中包括的第一拍摄像素相对应的投影像素的位置。目标测量部411识别指示与第二拍摄图像中包括的第二拍摄像素相对应的投影像素的位置的投影坐标。

图7示出了与第一拍摄像素A对应的第二拍摄图像的核线E_BA的示例。假设第一拍摄部1的透镜11的焦点为O1。与第一拍摄像素A相对应的光路是从焦点O1延伸到测量点MP的直线，并且指示该光路并投影在图7左侧的第二拍摄部2的图像平面上的直线是核线E_BA。由于几何形状限制的性质，在图7左侧的第二拍摄部2的图像平面中的第二拍摄像素B(其与第一拍摄像素A相同对应于测量点MP)处于核线E_BA上的任何位置。目标测量部411读取预先存储在存储部5中的指示第一拍摄部1和第二拍摄部2的布置的布置信息，并且基于读取的布置信息来识别与第一拍摄像素A对应的第二拍摄图像的核线E_BA。布置信息是指示例如焦距、位置和取向的信息。

如图7所示，目标测量部411从位于所识别的核线E_BA上的第二拍摄像素中选择第二拍摄像素B，该第二拍摄像素B与第一拍摄像素A相同对应于绝对投影坐标。目标测量部411通过在第一拍摄像素A和所选择的第二拍摄像素B中使用三角测量原理来测量与第一拍摄像素A和所选择的第二拍摄像素B相对应的公共测量点MP的3D坐标。

【根据第四测量系统的测量】

在第四测量系统中，目标测量部411识别第一拍摄图像的第一拍摄像素与第二拍摄图像的第二拍摄像素之间的对应关系。当测量对象具有诸如纹理、边缘等的特征点时，目标测量部411测量特征点的3D坐标，而不将投影图像投影到测量对象上。

目标测量部411识别与测量对象的特征点对应的第一拍摄像素。进一步地，目标测量部411识别与同一特征点相对应的第二拍摄像素。目标测量部411使用(i)对应于特征点的第一拍摄像素和(ii)对应于同一特征点的第二拍摄像素，通过使用三角测量原理来测量该特征点的3D坐标。

【两个方向上的条纹图案】

应当注意，目标测量部411不限于仅使用包括在一个方向上延伸的条纹图案的投影图像来产生目标测量数据的示例。例如，目标测量部411可以通过除了将包括在竖直方向上延伸的条纹图案的投影图像投影到测量对象上之外还将包括在水平方向上延伸的条纹图案的投影图像投影到测量对象上，来产生目标测量数据。目标测量部411通过将包括在水平方向上延伸的条纹图案的投影图像投影到测量对象上，来识别与拍摄像素对应的竖直投影坐标和水平投影坐标两者。在这种情况下，目标测量部411在不使用核线的情况下唯一地识别与拍摄像素相对应的投影像素。

【参考仪器的测量】

初步测量部412通过在与多个光学器件中的不同光学器件的组合对应的多个测量系统中拍摄预定参考仪器，来产生指示参考仪器上的参考点的3D坐标的多个初步测量数据。参考仪器上布置有多个参考点。例如，初步测量部412使用与目标测量部411相同的方法，利用第一测量系统至第四测量系统中的每一个来测量参考点的3D坐标。

图8A和图8B各自示出了参考仪器的示例。图8A和图8B各自示出了从上方观察的参考仪器。图8A示出了在纵向和横向上以有序状态排列多个黑色圆圈的参考仪器。图8B示出了方格参考仪器。当使用图8A所示的参考仪器时，初步测量部412将黑色圆的中心作为参考点，并且产生指示该参考点的3D坐标的初步测量数据。当使用图8B所示的参考仪器时，初步测量部412确定组成棋盘图案的白色正方形和黑色正方形的各个顶点作为参考点，并且产生指示所确定的参考点的3D坐标的初步测量数据。初步测量数据包含指示参考仪器上的多个参考点的3D坐标的信息。

图9示出了如何测量参考仪器51。在图9的示例中，参考仪器51是平板状构件，但并不限于此，作为参考仪器，可以使用任意的形状。初步测量部412不止一次地拍摄参考仪器51。在测量中，参考仪器51被依次安装在多个安装位置处，这些安装位置在深度方向上(如图9中的箭头所示)的坐标不同。参考仪器51的安装位置不需要精确地确定，并且可以是示意性的。而且，参考仪器51的安装位置的3D坐标不需要预先测量，并且参考仪器51可以安装在任何安装位置。因此，由于不需要准备用于定位参考仪器51的仪器、另一测量仪器等，所以在3D几何形状测量装置100中可以以低成本容易地进行参考仪器51的测量。

初步测量部412在参考仪器51被放置在各安装位置的状态下拍摄参考仪器51。初步测量部412基于安装在多个安装位置处的参考仪器51的拍摄图像，来产生指示在多个安装位置处的参考仪器51的参考点的3D坐标的初步测量数据。而且，不限于通过使参考仪器51平行移动以使得深度方向上的坐标彼此不同来设置多个安装位置的示例，也可以通过改变参考仪器51的姿势以使得3D坐标彼此不同来设置多个安装位置。

而且，初步测量部412不限于预先测量在参考仪器51上布置的参考点的3D坐标的示例。例如，初步测量部412可以用投影部3将包括要用作参考点的特定位置的标记的投影图像投影到参考仪器51上。初步测量部412可以将标记投影在的位置确定为参考点，并且测量该参考点的3D坐标。

而且，初步测量部412可以将包括用于识别参考点的图案的投影图像投影到参考仪器51上。包括用于识别参考点的图案的投影图像例如是包括沿一个方向延伸的条纹图案的投影图像。初步测量部412可以获取通过拍摄投影到参考仪器51上的投影图像而获取的第一拍摄图像和第二拍摄图像。在这种情况下，初步测量部412以与目标测量部411同样的方式识别与第一拍摄像素对应的投影坐标和与第二拍摄像素对应的投影坐标，并且使用第一拍摄像素、第二拍摄像素以及投影图像之间的对应关系，来测量参考仪器51上的特定位置的3D坐标。初步测量部412可以使用该特定位置作为参考点。换言之，初步测量部412也可以将条纹图案投影到参考仪器51上，并且将用多个测量系统共同测量的某个位置作为参考点。

进一步地，初步测量部412可以通过将包括在竖直方向上延伸的条纹图案的投影图像和包括在水平方向上延伸的条纹图案的投影图像投影到测量对象上，来投影与第一拍摄图像对应的投影坐标和与第二拍摄像素对应的投影坐标。在这种情况下，初步测量部412可以通过使用包括在竖直方向上延伸的条纹图案的投影图像和包括在水平方向上延伸的条纹图案的投影图像，而不使用核线，来获得第一拍摄像素与第二拍摄像素之间的对应关系。因此，初步测量部412可以降低由于在识别核线时可能发生的误差而降低测量精度的风险。

获取部42从存储部5获取指示参考仪器51所包括的多个参考点之间的位置关系的相对位置信息。假定预先利用另一测量仪器测量了多个参考点之间的位置关系。多个参考点的位置关系例如在将参考仪器51的一个参考点假定为原点时是原点以外的参考点的二维坐标。

【参考数据的产生】

参考数据产生部43基于与多个测量系统对应的多个初步测量数据中的一个或多个来产生参考数据。参考数据是用于使多个测量系统的各个测量数据与其它测量系统的测量数据相匹配的数据。

例如，假设示出了在第一测量系统中从投影部3到特定参考点的位置的距离是199毫米，在第二测量系统中从投影部3到相同参考点的位置的距离是201毫米，并且在第三测量系统中从投影部3到相同参考点的位置的距离是200毫米。在这种情况下，例如，参考数据产生部43通过将利用第一测量系统测量的199毫米确定为参考数据、执行从利用第二测量系统测量的数据减去2毫米的校正、以及执行从利用第三测量系统测量的数据减去1毫米的校正，来匹配各个测量系统的测量数据。已经作为示例描述了校正距离的方法，但在实践中，期望校正3D坐标。

例如，参考数据产生部43计算与不同的测量系统对应的多个初步测量数据中包括的同一参考点的3D坐标的统计量，诸如平均值、中值等。参考数据产生部43可以产生参考数据，其中所计算的统计量是参考点的3D坐标。例如，参考数据产生部43计算利用第一测量系统、第二测量系统和第三测量系统测量的相同参考点的3D坐标的平均值。参考数据产生部43产生将所计算的平均值作为参考点的3D坐标的参考数据。

通过参考获取部42所获取的相对位置信息，参考数据产生部43可以获得由相对位置信息指示的位置关系与由初步测量数据指示的多个参考点的位置关系之间的误差，并且基于获得的误差选择任一初步测量数据。

例如，在参考仪器51的一个参考点为原点的情况下，参考数据产生部43获得(i)相对位置信息中的原点以外的参考点的相对坐标、和(ii)初步测量数据中的原点以外的参考点的相对坐标。参考数据产生部43针对每个参考点，获得相对位置信息中的原点以外的参考点的相对坐标与初步测量数据中的对应的参考点之间的误差。参考数据产生部43针对每个测量系统获得误差的统计量，诸如参考仪器51的多个参考点处的误差的总和或标准偏差，并且选择诸如所获得的误差的平均值的统计量在多个测量系统中为最小的测量系统的初步测量数据。可以使用距原点的相对距离来代替距原点的相对坐标。

另外，在将多个参考点布置在参考仪器51中的单个平面上时，参考数据产生部43使用最小二乘法等识别虚拟平面，使得距虚拟平面与由初步测量数据指示的参考仪器51上的多个参考点的距离之和最小。参考数据产生部43针对与不同的测量系统对应的多个初步测量数据识别这种平面。参考数据产生部43针对各个测量系统计算(i)所识别的平面与所识别的平面对应的测量系统的初步测量数据中的(ii)参考仪器51上的多个参考点之间的距离的总和。参考数据产生部43可以选择其中所计算的距离总和最小的测量系统的初步测量数据。

利用这种构造，参考数据产生部43可以使用最准确地再现参考仪器51上排列的多个参考点所在的平面的测量系统的初步测量数据。参考数据产生部43基于所选择的初步测量数据产生参考数据。例如，参考数据产生部43将所选择的初步测量数据用作参考数据。

当与多个测量系统相对应的多个初步测量数据之间的偏差等于或大于预定值时，参考数据产生部43不需要产生参考数据，并且可以在显示部(未示出)上显示指示初步测量数据之间的偏差大的误差。这样，参考数据产生部43可以防止由于诸如光学器件的取向的偏差的缺陷而导致的3D几何形状的测量精度的降低。

【校正值的计算】

计算部44基于(i)与参考数据不匹配的初步测量数据和(ii)由参考数据产生部43产生的参考数据，计算校正值。当参考数据产生部43将与单个测量系统对应的初步测量数据用作参考数据时，与参考数据不匹配的初步测量数据例如是由与参考数据对应的测量系统不同的测量系统测量的初步测量数据。

计算部44假定参考数据产生部43使用由第三测量系统测量的初步测量数据作为参考数据。计算部44识别指示与第三测量系统不同的第一测量系统中的预定参考点的3D坐标，并且识别指示参考数据中的相同参考点的3D坐标。计算部44使用以下方程1获得两个3D坐标之间的差ΔC(x_1,i,j,y_1,i,j,z_1,i,j)。

ΔC(x_1,i,j,y_1,i,j,z_1,i,j)＝[x_1,i,j,y_1,i,j,z_1,i,j]-[x_r,i,j,y_r,i,j,z_r,i,j]···方程1

在方程1中，“x_1,i,j”中的“1”是指示第一测量系统的索引，“i”是用于识别参考点的索引(i＝1、2等)，“j”是用于识别参考仪器51的安装位置的索引(j＝1、2等)。[x_1,i,j,y_1,i,j,z_1,i,j]是由第一测量系统测量的初步测量数据指示的3D坐标。[x_r,i,j,y_r,i,j,z_r,i,j]是由参考数据指示的3D坐标。

计算部44基于所获得的差ΔC(x_1,i,j,y_1,i,j,z_1,i,j)来计算用于校正由第一测量系统测量的目标测量数据的校正值。作为示例，计算部44使用差ΔC(x_1,i,j,y_1,i,j,z_1,i,j)作为校正值，但是校正值可以基于差ΔC(x_1,i,j,y_1,i,j,z_1,i,j)使用已知方法来计算。

当参考数据产生部43通过对由与不同的测量系统对应的多个初步测量数据指示的参考点的3D坐标求平均等来产生参考数据时，用于产生参考数据的初步测量数据可能不匹配参考数据。因此，计算部44，当通过对由多个初步测量数据指示的参考点的3D坐标求平均等来产生参考数据时，可以基于(i)由用于产生参考数据的初步测量数据指示的参考点的3D坐标与(ii)由参考数据指示的相同参考点的3D坐标之间的差来计算校正值。

计算部44计算与安装在多个安装位置处的参考仪器51的参考点相对应的校正值。例如，当初步测量部412产生与深度方向上的坐标不同的三个安装位置相对应的三个初步测量数据时，计算部44产生与三个初步测量数据中的每一个相对应的校正值。计算部44使(i)参考仪器51的安装位置的索引、(ii)用于识别执行参考仪器51的测量所用的测量系统的索引、(iii)用于识别参考点的索引、以及(iv)校正值彼此关联，并将它们存储在存储部5中。

进一步地，计算部44可以识别用于计算与由测量系统测量的测量点的3D坐标相对应的校正值的函数，该测量系统与不匹配参考数据的初步测量数据相对应。例如，计算部44可以通过参考由第一测量系统测量的初步测量数据与对应的校正值之间的关系，使用诸如最小二乘法的已知技术来识别用于将由第一测量系统测量的目标测量数据转换成与目标测量数据对应的校正值的多项式函数。在这种情况下，预先将该函数作为程序等的一部分存储在存储部5中，并且计算部44识别存储在存储部5中的该函数的多个系数。用于将目标测量数据转换成校正值[Δc_m,xΔc_m,yΔc_m,z]的函数可以由以下方程2表示。在方程2中，(x_m,y_m,z_m)是测量点的3D坐标。在方程2的函数中，计算与3D坐标的各个分量相对应的校正值。[Δc_m,xΔc_m,yΔc_m,z]＝[f_x(x_m,y_m,z_m)f_y(x_m,y_m,z_m)f_z(x_m,y_m,z_m)]···方程2例如，通过在Z方向(深度方向)上分割函数，可以准备多于一个这种函数。通过这样做，计算部44可以使用具有更高精度的函数作为各个多项式函数来计算校正值，因此获得具有更高精度的校正结果。

已经描述了计算部44产生与参考点相对应的校正值的示例。计算部44可以通过基于与多个参考点相对应的多个校正值进行插值来计算与除了获取了初步测量数据的参考点之外的位置相对应的校正值。计算部44可以用立方网格以相等的间隔划分各个测量系统的测量空间，通过基于与多个参考点对应的多个校正值进行插值来计算与各个网格点对应的校正值，并且将其中网格点的3D坐标、用于识别测量系统的索引以及所计算的校正值相关联的表格存储在存储部5中。通过计算各个网格点的校正值，计算部44可以在校正测量对象的3D坐标的测量结果时使用最接近所测量坐标值的网格点的校正值来执行校正。

【目标测量数据的校正】

校正部45基于校正值校正与不匹配参考数据的初步测量数据相对应的测量系统的目标测量数据。作为示例，当参考数据产生部43通过选择由第三测量系统测量的初步测量数据来产生参考数据时，校正部45校正不同于第三测量系统的第一测量系统的目标测量数据。校正部45从存储部5读取与以下内容相关联的校正值：(i)由目标测量数据指示的深度方向上的坐标与参考点的深度方向上的坐标之间的差最小的安装位置的索引、(ii)指示是第一测量系统的索引、以及(iii)指示3D坐标最接近由目标测量数据指示的3D坐标的参考点的索引。校正部45基于所读取的校正值校正由第一测量系统测量的目标测量数据。

校正部45可以从存储部5读取与最接近由目标测量数据指示的3D坐标的网格点的3D坐标和指示与上述网格点相对应的测量系统的索引相关联的校正值，并且基于所读取的校正值来校正目标测量数据。校正部45可以从存储部5读取与相对接近由目标测量数据指示的3D坐标的多个网格点的3D坐标相关联的校正值，并且通过使用所读取的多个校正值的插值过程来获得与目标测量数据对应的校正值。而且，在获得用于将目标测量数据转换为校正值的函数时，校正部45可以利用该函数来将目标测量数据转换为校正值，并且基于所转换的校正值来校正目标测量数据。

几何形状识别部46使用由校正部45校正的目标测量数据来识别测量对象的几何形状。几何形状识别部46通过连接由多个校正后的目标测量数据指示的测量点的3D坐标来识别测量对象的3D几何形状。几何形状识别部46可以通过连接由与不同的测量系统对应的多个目标测量数据指示的3D坐标，来识别测量对象的几何形状。

可能存在校正部45不校正与参考数据相对应的测量系统的目标测量数据的情况。因此，当使用与参考数据对应的目标测量数据时，假定几何形状识别部46可以通过使用未被校正部45校正的目标测量数据来识别测量对象的几何形状。几何形状识别部46可以通过将(i)由与参考数据对应的未被校正的目标测量数据指示的测量点的3D坐标和(ii)由校正后的目标测量数据指示的测量点的3D坐标连接，来识别测量对象的几何形状。

【计算校正值的处理过程】

图10是示出了由3D几何形状测量装置100计算校正值的处理过程的流程图。当3D几何形状测量装置100的操作接收部(未示出)接收到用户指示校准各个测量系统的操作时，该处理过程开始。

首先，初步测量部412生成利用多个测量系统拍摄预定参考仪器51的拍摄图像(S101)。初步测量部412测量参考点的3D坐标，并且产生指示所测量的3D坐标的初步测量数据(S102)。假定初步测量部412在S102中产生与多个测量系统对应的多个初步测量数据。参考数据产生部43基于所产生的多个初步测量数据中的一个或多个来产生参考数据(S103)。

计算部44计算(i)多个测量系统中与参考数据的测量系统不匹配的测量系统的初步测量数据与(ii)由参考数据产生部43产生的参考数据之间的差。计算部44基于该差计算用于校正由与不匹配参考数据的初步测量数据对应的测量系统测量的目标测量数据的校正值(S104)，并且结束处理。

【识别三维几何形状的处理过程】

图11是示出了由3D几何形状测量装置100执行的识别测量对象的3D几何形状的处理过程的流程图。当3D几何形状测量装置100的操作接收部接收到用户的指示开始测量3D几何形状的操作时，该处理过程开始。

首先，目标测量部411利用投影部3将包括预定光图案的投影图像投影到测量对象等上(S201)。目标测量部411通过拍摄投影在测量对象上的投影图像来生成由第一拍摄部1拍摄的第一拍摄图像(S202)。目标测量部411通过测量测量对象的测量点来产生指示测量结果的目标测量数据(S203)。校正部45基于校正值校正目标测量数据(S204)。几何形状识别部46基于由校正部45校正的目标测量数据来识别测量对象的几何形状(S205)。

【本实施例的3D几何形状测量装置的效果】

根据本实施例，校正部45使用参考数据校正用于多个测量系统的目标测量数据。因此，校正部45可以防止由测量系统中的误差引起的测量精度的降低。

由于几何形状识别部46可以通过以高精度连接多个测量系统的目标测量数据来执行测量，所以即使存在由于阴影、饱和等而不能通过某一测量系统获得目标测量数据的部分，也可以使用另一测量系统的目标测量数据来识别测量对象的几何形状。因此，几何形状识别部46能够更高效且准确地识别测量对象的几何形状。

【变型示例】

在本实施例中，描述了参考数据产生部43使用与单个测量系统相对应的初步测量数据来产生包括多个参考点的3D坐标的参考数据的情况的示例。然而，本公开不限于此。参考数据产生部43也可以通过对于各个参考点从与不同测量系统对应的多个初步测量数据中选择一个，来产生某个参考数据。例如，参考数据产生部43可以从与不同的测量系统对应的多个初步测量数据中，选择与对应于例如视差变得最大的光学器件的组合的测量系统相对应的初步测量数据，使得针对参考点的三角测量的精度将最高。

图12A和图12B各自示出了在由参考数据产生部43产生参考数据时如何选择测量系统。图12A和图12B各自示出了从上方观察的参考仪器51。在图12A和图12B的示例中，3D几何形状测量装置除了包括第一拍摄部1和第二拍摄部2之外，还包括第三拍摄部300。在图12A和图12B的示例中，省略了投影部3。例如，当使用参考仪器51上的参考点时，初步测量部412可以利用下面的第四测量系统至第六测量系统来产生初步测量数据。

第四测量系统：第一拍摄部1和第二拍摄部2

第五测量系统：第一拍摄部1和第三拍摄部300

第六测量系统：第二拍摄部2和第三拍摄部300

图12A示出了如何选择与参考仪器51最下段右端的参考点对应的测量系统。参考数据产生部43选择与参考点的视差变得最大的光学器件的组合相对应的测量系统。当参考数据产生部43选择第四测量系统时，由第一拍摄部1和第二拍摄部2针对最下段右端的参考点形成的视差为α1。另一方面，当参考数据产生部43选择第五测量系统时，由第一拍摄部1和第三拍摄部300针对最下段右端的参考点形成的视差是α2，并且该视差在第四测量系统到第六测量系统中最大。因此，参考数据产生部43在产生与最下段右端的参考点对应的参考数据时，选择由第五测量系统测量的初步测量数据。

图12B示出了如何选择与参考仪器51最上段左端的参考点对应的测量系统。当参考数据产生部43选择第四测量系统时，由第一拍摄部1和第二拍摄部2针对最上段左端的参考点形成的视差为β1。另一方面，当参考数据产生部43选择第六测量系统时，由第二拍摄部2和第三拍摄部300针对最上段左端的参考点形成的视差是β2，并且该视差在第四测量系统到第六测量系统中最大。因此，参考数据产生部43在产生与最上段左端的参考点对应的参考数据时，选择由第六测量系统测量的初步测量数据。参考数据产生部43通过将针对参考仪器51的各个参考点选择的初步测量数据组合来产生单个参考数据。

利用这种配置，参考数据产生部43使用由测量系统测量的初步测量数据来产生参考数据，在该测量系统中，各个参考点的视差最大，因此可以通过使用三角测量来提高3D坐标的测量精度。

在使用通过一个或多个投影部投影到参考仪器51的参考点的情况下，参考数据产生部43不限于针对各个参考点选择由测量系统测量的初步测量数据的示例，在该测量系统中，由两个拍摄部的对形成的视差最大。例如，参考数据产生部43可以考虑由两个拍摄部的对形成的视差以及由投影部或拍摄部的对形成的视差，以针对各个参考点选择由包括视差最大的对的测量系统测量的初步测量数据。

如果拍摄部的规格彼此不同、或者从拍摄部到参考点的距离彼此不同，则可能存在视差最大的测量系统与测量精度最好的测量系统不匹配的情况。参考数据产生部43可以从存储部5读取使参考点的3D坐标的近似值与测量精度最好的测量系统相关联的表，并且通过参照该表，选择测量精度最好的测量系统的初步测量数据。

进一步地，参考数据产生部43也可以基于从原点到参考点的相对距离，来选择测量精度最好的测量系统的初步测量数据。例如，在测量参考仪器51时，参考数据产生部43将参考仪器51上的任意参考点指定为原点。参考数据产生部43测量从所识别的原点到作为除了原点以外的参考点的参考点C的距离。另一方面，参考数据产生部43从存储部5读取预先存储的值作为从原点到参考点C的距离。参考数据产生部43也可以选择测量的距离与从存储部5读取的距离之间的差最小的测量系统的初步测量数据，作为参考点C的测量精度最好的初步测量数据。

基于示例实施例说明本公开。本公开的技术范围不限于上述实施例中说明的范围，并且可以在本公开的范围内进行各种变更和修改。例如，装置的分布和集成的具体实施例不限于上述实施例，其全部或部分可以配置有在功能上或物理上分散或集成的任何单元。进一步地，通过它们的任意组合而生成的新示例实施例被包括在本公开的示例实施例中。进一步地，由组合带来的新示例实施例的效果也具有原始示例实施例的效果。

【附图标记的描述】

1 第一拍摄部

2 第二拍摄部

3 投影部

4 控制部

5 存储部

11 透镜

12 成像元件

21 透镜

22 成像元件

41 测量部

42 获取部

43 参考数据产生部

44 计算部

45 校正部

46 几何形状识别部

100 三维几何形状测量装置

300 第三拍摄部

411 目标测量部

412 初步测量部

Claims (10)

1.一种三维几何形状测量装置，用于基于通过拍摄测量对象获得的拍摄图像来测量所述测量对象的三维几何形状，所述三维几何形状测量装置包括：

多个光学器件；

初步测量部，其通过在与所述多个光学器件中的不同光学器件的组合对应的多个测量系统中拍摄参考仪器，来产生多个初步测量数据，所述多个初步测量数据指示所述参考仪器上的参考点的三维坐标；

参考数据产生部，其基于所述多个初步测量数据中的一个或多个来产生参考数据；

计算部，其基于所述参考数据和所述多个初步测量数据中与所述参考数据不匹配的初步测量数据，来计算校正值；

目标测量部，其产生多个目标测量数据，所述多个目标测量数据指示利用所述多个测量系统对所述待测量对象的测量点进行测量的结果；

校正部，其基于所述校正值校正与不匹配所述参考数据的所述初步测量数据相对应的所述测量系统中的目标测量数据；以及

几何形状识别部，其使用利用所述校正部校正的校正后的目标测量数据来识别所述测量对象的几何形状。

2.根据权利要求1所述的三维几何形状测量装置，其中，

所述初步测量部通过拍摄安装在多个安装位置处的所述参考仪器来产生指示在所述多个安装位置处的所述参考仪器的所述参考点的所述三维坐标的所述初步测量数据，并且

所述计算部计算与所述多个安装位置处的所述参考点相对应的所述校正值。

3.根据权利要求1或2所述的三维几何形状测量装置，其中，

所述参考数据产生部通过计算由与所述多个测量系统相对应的所述多个初步测量数据指示的所述参考点的所述三维坐标的统计量来产生所述参考数据。

4.根据权利要求1或2所述的三维几何形状测量装置，还包括：

获取部，其获取指示所述参考仪器所包括的多个所述参考点的位置关系的相对位置信息，其中，

所述初步测量部产生指示所述多个参考点的三维坐标的所述初步测量数据，并且

所述参考数据产生部通过基于与由所述相对位置信息指示的所述位置关系的误差，来选择指示所述多个参考点的所述三维坐标的所述初步测量数据，如此来产生所述参考数据。

5.根据权利要求1或2所述的三维几何形状测量装置，其中，

所述初步测量部产生指示所述参考仪器上的多个所述参考点的三维坐标的所述初步测量数据，并且

所述参考数据产生部通过选择与所述多个测量系统相对应的所述多个初步测量数据中的一个来针对各个所述参考点产生一个参考数据。

6.根据权利要求5所述的三维几何形状测量装置，其中，

所述参考数据产生部从与所述多个测量系统相对应的所述多个初步测量数据中，选择对于所述参考点的三角测量精度变得最佳的所述光学器件的组合所对应的所述初步测量数据。

7.根据权利要求1或2所述的三维几何形状测量装置，其中，

所述初步测量部将包括用于识别所述参考点的图案的投影图像投影到所述参考仪器上。

8.根据权利要求1或2所述的三维几何形状测量装置，其中，

所述计算部识别用于计算由不匹配所述参考数据的所述初步测量数据所对应的所述测量系统测量的所述测量点的所述三维坐标所对应的所述校正值的函数，并且使用所识别的函数来计算所述校正值。

9.根据权利要求1或2所述的三维几何形状测量装置，其中，

所述计算部还包括存储有表格的存储部，在所述表格中，(i)所述多个测量系统的以相等的间隔用立方网格划分的测量空间的各个网格点的三维坐标、(ii)多个所述校正值、以及(iii)用于识别各个所述测量系统的索引彼此相关联，其中，

所述校正部从所述存储部读取与最接近由所述目标测量数据指示的所述三维坐标的所述网格点的所述三维坐标以及指示与该网格点相对应的所述测量系统的所述索引相关联的所述校正值，并且基于所述所读取的校正值来校正所述初步测量数据。

10.一种三维几何形状测量方法，用于基于通过拍摄测量对象获得的拍摄图像来测量测量对象的三维几何形状，所述三维几何形状测量方法包括以下步骤：

通过用与多个光学器件中的不同光学器件的组合对应的多个测量系统拍摄参考仪器，来产生指示所述参考仪器上的参考点的三维坐标的多个初步测量数据；

基于所述多个初步测量数据中的一个或多个来产生参考数据；

基于所述参考数据和所述多个初步测量数据中与所述参考数据不匹配的所述初步测量数据，来计算校正值；

产生指示利用所述多个测量系统对所述测量对象的测量点进行测量的结果的多个目标测量数据；

基于所述校正值校正与不匹配所述参考数据的所述初步测量数据相对应的所述测量系统中的所述目标测量数据；以及

使用校正后的所述目标测量数据来识别所述测量对象的几何形状。

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