CN115315610A - 带有照明装置的用于绳索的三维光学测量移动设备 - Google Patents

Abstract

一种经校准的三维光学测量设备(1)，用于对绳索(2)的几何参数进行三维测量，其包括框架(3')，该框架限定绳索接收腔(29)并且围绕该绳索接收腔布置。多个图像采集装置(C0，C1，C2，C3)适于采集绳索(2)的外表面(21)的至少一个区域的多个数字图像。当三维光学测量设备(1)在绳索接收腔(29)中接收绳索(2)时，所述图像采集装置(C0，C1，C2，C3)被固定到框架(3')上并且围绕绳索(2)布置。电子数字图像处理装置被配置成处理多个数字图像并且获得绳索的由图像采集装置(C0，C1，C2，C3)采集的数字图像的点的三维摄影测量重建。并且在限定围绕绳索(2)的主延伸轴线延行并且位于入射至或垂直于绳索(2)的主延伸轴线的平面(P)上的周向方向(C)之后，图像采集装置(C0，C1，C2，C3)沿着所述周向方向(C)沿周向彼此间隔地布置在框架(3')上。适于照亮所述绳索(2)的至少一个区域的照明装置(I0，I1，I2，I3)沿着所述周向方向(C)布置在一对相邻的图像采集装置(C0，C1；C1，C2；C2，C3；C3，C1)之间。

Description

带有照明装置的用于绳索的三维光学测量移动设备

技术领域

本发明通常属于静止或移动的绳索或缆绳的测量和检查系统，其采用非破坏性和非接触技术。

具体地说，本发明涉及一种经校准的三维光学测量设备并且涉及一种通过采集绳索或缆绳的外表面的数字图像对绳索的几何参数进行三维光学测量的方法。这种方法的应用示例涉及绳索或缆绳的连续测量，否则由于被测物体的移动，用接触方法是不能实现的。例如，这种测量涉及在升降椅和/或缆车运行期间对其绳索或缆绳的检查。此外，本发明涉及生产线中绳索或缆绳的连续测量，用于运行中的质量控制或定期检查。在许多情况下，已知的测量和检查技术包括使操作者存在于困难和/或危险的环境条件下，比如在悬挂的绳索或化学试剂污染的环境中的测量。此外，不利的是，在许多情况下，为了进行测量，必须停止生产或处理设备。

背景技术

通过处理绳索的二维(2D)图像来测量绳索的几何参数的技术是已知的。

例如，EP2383566A1描述了一种用于采集一部分绳索的二维图像并且在2D图像中测量绳股的延伸的方法；该方法包括确定作为相对于参考目标值计算的绳股的纵向延伸的函数的质量值。

不利的是，由于绳索和摄像机之间的透视定位，2D处理技术会受到测量误差的影响。

此外，在绳索特别脏或存在油脂的情况下，很难获得易于分析的图像。

通过使用带有线性传感器(即，基于单行像素的传感器)的摄像机，用于测量绳索的几何参数的技术也是已知的，但是这种技术除了在穿过传感器的平面和绳索轴线之间不完全垂直的情况下会受到误差的影响之外，还会受到由于绳索在测量过程中受到振动而引起的误差的影响。

此外，现有技术的系统通常体积庞大、难以运输，并且受周围环境的照明条件影响，这会损坏图像采集质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于对绳索或者刚性缆绳或柔性缆绳的几何参数进行三维光学测量的设备和方法，该设备和方法允许克服上述缺点。

根据所附独立权利要求，通过对绳索(或等效方式的缆绳)的几何参数进行光学三维测量的设备和方法来实现上述目的；依赖于该独立权利要求的权利要求描述了替代实施例。

优选地，可以通过三维光学测量设备分析的绳索和缆绳的类型包括刚性绳索和柔性绳索，该刚性绳索或柔性绳索由任何类型的材料制成，例如铁、钢、天然纤维或合成纤维、碳纤维等。换句话说，绳索可以被理解为优选延伸维度(长度)比其他两个维度大得多的任何轴对称物体，例如优选延伸维度比其他两个维度长100倍以上。

优选地，绳索或缆绳的外表面具有一个或更多个以下特征：

-连续或至少部分连续，例如表面光滑或表面上有凹槽；

-实心螺旋，例如螺旋筋；

-由一个或更多个螺旋线缠绕的子部件构成，例如螺旋的或绞合的缆绳或绳索。

例如，绳索由单根线或若干根相互缠绕的线构成，这些线形成所谓的绳股，或者绳索由若干根相互缠绕的绳股构成，因此，绳索由若干根相互缠绕的线构成以形成单绳股，该单绳股又彼此相互缠绕。

绳索或缆绳也可以由相互缠绕的纤维构成。

用于对绳索的几何参数进行测量的经校准的三维光学测量设备包括多个数字图像采集装置，该数字图像采集装置适于采集绳索的外表面的至少一个区域的多个数字图像。

优选地，数字图像采集装置是带有矩阵类型的图像传感器的摄像机(即，能够采集像素矩阵上的数字图像)。此外，该系统包括数字图像处理装置，该数字图像处理装置被布置成执行用于测量绳索的这种几何参数的方法的步骤，这将在本文件的后续部分中详细描述。

总之，在一个实施例中，三维光学测量设备允许从每个数字图像上的相应点开始在三维空间中对绳索的外表面的至少一个区域的多个点进行摄影测量重建，然后借助于这样的多个三维点来计算几何参数。

优选地，由光学系统测量的几何参数涉及以下测量值中的至少一个：

-绳索的点直径或者接近或环绕绳索的旋转体的平均直径；

-绳索的点圆度或者接近或环绕绳索的旋转体的平均圆度；

-绳索或者接近或环绕绳索的旋转体的轴线的位置、取向和线性度；

-沿着绳索或缆绳或者接近或环绕绳索或缆绳的旋转体的轴线测量的绳索的长度；

-绳索的节距，即其外表面为实心螺旋或其外表面由一个或更多个螺旋线缠绕的子部件构成的样本的相邻线圈或相邻螺旋线之间的距离。例如，绳索的节距是在由形成绳索的相邻绳股或相邻线构成的线圈或螺旋线之间计算的。

附图说明

根据本发明的用于测量绳索或缆绳的几何参数的经校准的光学系统和方法的特征和优点将从以下描述中变得显而易见，以下描述是根据附图通过解释的方式而不是通过限制的方式给出的，其中：

-图1示出了根据本发明实施例的经校准的三维光学测量设备，并且该设备安装在绳索上；

-图2示出了图1中经校准的三维光学测量设备的一部分的轴测图，其中，为了显示清楚，人为地移除了框架3'；

-图3示出了图1中经校准的三维光学测量设备沿着与绳索的最大延伸维度垂直的剖面的剖视图；

-图4示出了图1中经校准的三维光学测量设备的细节；

-图5示出了根据本发明的实施例的经校准的三维光学测量设备的示意图，其中，数字图像采集装置C0...C3并且绳索是可见的；

-图6示出了图5中的代表性示意图的一部分；

-图7示出了根据本发明的实施例的经校准的三维光学测量设备的示意图，其中，绳索的一部分被虚拟地示出为靠近每个数字图像检测装置(由对应的图像采集装置框定并且可见，并且其中，两个装置可见的公共区域用网点示出)；

-图8示出了根据本发明的实施例的步骤来采集和处理的一对数字图像，其中，该对图像由布置在径向相对位置的一对图像采集装置采集，如下图9所示；

-图8a示出了根据本发明的实施例的另一步骤采集和处理的一对数字图像，其中，该对图像由例如沿着基本上以绳索轴线为中心并且偏移90°的圆周布置的两个相邻的数字图像采集装置采集；

-图9示出了根据本发明的实施例的经校准的三维光学测量设备的代表性示意图的细节，其中，一对图像采集系统的每个视场所共有的绳索的轮廓线用粗线勾勒，其中，每个数字装置沿着垂直于绳索轴线的轴线布置在径向相对的位置；

-图10示出了根据本发明的实施例的从数字图像采集装置的图像平面(即，适于采集图像的传感器平面)上的点开始重建绳索轴线的点的方法的概念图；

-图11示出了根据本发明的实施例的绳索(或缆绳)的三维空间中的3D轮廓线、轴线的点以及插值的3D中轴的重建；

-图12示出了根据本发明的实施例的三维空间中的3D轮廓线、插值的3D中轴以及绳索(或缆绳)的直径的重建；

-图13示出了根据本发明的实施例的通过在三维空间中使用插值曲线对点进行插值而获得的理想3D中轴和实轴的重建；

-图14示出了根据本发明的实施例采集和处理的螺旋表面的绳索的数字图像；

-图15示出了根据本发明的替代实施例的另一步骤采集和处理的一对数字图像，在绳索(或缆绳)具有螺旋表面的情况下，其中获得了线圈的轮廓和每个图像的中轴之间的交点；

-图16示出了根据本发明的实施例的轴线和绳索(或缆绳)的螺旋线或螺旋表面的点的重建，以计算三维空间中的螺旋线或线圈的节距。

具体实施方式

用于对绳索2的几何参数进行三维测量的经校准的三维光学测量设备1包括框架3'，该框架限定绳索接收腔29并且围绕该绳索接收腔布置。此外，C0、C1、C2、C3的多个图像采集装置适于采集绳索2的外表面21的至少一个区域的多个数字图像。当三维光学测量设备1在绳索接收腔29中接收绳索2时，这种图像采集装置C0、C1、C2、C3被固定到框架3'上并且围绕绳索2布置。

经校准的三维光学测量设备1还包括电子数字图像处理装置，该电子数字图像处理装置被配置成处理多个数字图像并且获得由图像采集装置C0、C1、C2、C3所采集的绳索的数字图像的点的三维摄影测量重建。

此外，在限定了围绕绳索2的主延伸轴线延伸并且位于入射至或垂直于绳索2的主延伸轴线的平面P上的周向方向C之后，图像采集装置C0、C1、C2、C3沿着该周向方向C彼此沿周向间隔开地布置在框架3'上。

适于照亮绳索2的至少一个区域的照明装置I0、I1、I2、I3沿着周向方向C布置在一对相邻图像采集装置C0、C1；C1、C2；C2、C3；C3、C1之间。

优选地，照明装置I0、I1、I2、I3沿着周向方向C与紧邻的图像采集装置C0、C1；C1、C2；C2、C3；C3、C1周向间隔开地布置。

具体地说，照明装置I0、I1、I2、I3没有布置在图像采集装置C0、C1；C1、C2；C2、C3；C3周围，即，它不是同心地布置在图像采集装置C0、C1；C1、C2；C2、C3；C3、C1的图像传感器周围。

优选地，照明装置I0、I1、I2、I3主要沿着平行于绳索2的主延伸方向的方向延伸。

优选地，电子数字图像处理装置包括存储单元，其中存储了每个图像采集装置C0、C1、C2、C3的固有校准参数和非固有校准参数。

根据本发明的一个优选实施例，三维光学测量设备1包括附接装置4'，该附接装置适于以相对于绳索2相对可平移的方式将三维光学测量设备1约束到绳索上。优选地，这种附接装置4'包括多个回转表面(例如轮子)，这些回转表面联结到框架3'并且适于可滑动地夹持绳索2。这允许在绳索2上获得可滑动的自支撑三维光学测量设备。

术语“相对可平移的”是指设备可以在绳索2上滑动，或者绳索相对于设备移动，而该设备相对于选定的参考系统固定。

多个回转表面中的每个回转表面适于沿着横向于或垂直于绳索2的主延伸轴线的平面可调节地隔开，以便能够不时地在多个回转表面之间容纳不同直径的绳索。

根据本发明的一个实施例，框架3'包括壳体3和支撑结构10，壳体限定绳索接收腔29并且围绕该绳索接收腔布置，支撑结构与壳体3联结。图像采集装置C0、C1、C2、C3固定在支撑结构10上。

优选地，支撑结构10包括与壳体3可释放地联结的联结区域11。

优选地，支撑结构10在支撑结构的不同于联结区域11的其余部分与壳体3间隔开。

根据本发明的一个实施例，在支撑结构10和壳体3之间插入有阻尼元件5，该阻尼元件由适于抑制从壳体3到支撑结构10的振动传递的材料制成，例如橡胶或弹性材料。这允许防止施加到壳体3上的任何振动传递至支撑结构10从而在图像采集装置上产生不期望的振动。

根据本发明的一个替代实施例，壳体3和支撑结构10联结在一起，以形成单件或形成单件的一部分。

根据优选实施例，支撑结构10具有开放的环形形状，并且壳体3具有盒状形状。在该实施例中，壳体3围绕支撑结构10的内部或外部布置。

优选地，支撑结构包括在轴向方向X'上间隔开的两个开口环形部分，在这两个开口环形部分之间容纳图像采集装置。

在支撑结构10围绕壳体3的外部布置的替代实施例中，壳体3包括壳体侧壁31，该壳体侧壁沿着平行于绳索2的主延伸轴线的轴向方向X'在头端32和尾端33之间延伸。当三维光学测量设备1相对于绳索2相对滑动时，该壳体侧壁31适于与绳索2间隔开地布置。对于每个图像采集装置C0、C1、C2、C3，在壳体侧壁31上设置有至少一个观察窗口V0、V1、V2、V3，使得图像采集装置可以通过所述观察窗口V0、V1、V2、V3检测绳索的数字图像。

优选地，壳体3包括壳体尾壁331和壳体头壁321，该壳体尾壁和壳体头壁分别封闭靠近尾端33和头端32的壳体侧壁31。在每个这样的头壁321和尾壁331上设置有至少一个通道开口6、6'，绳索2可以横穿该通道开口。此外，尾壁331和头壁321各自至少包括与壳体侧壁31固定并且成一体的第一壁部分321'、331'以及可释放地固定到第一壁部分321'、331'上的可移除的壁部分321”、331”。因此，在绳索插入配置中，可移除的壁部分321”、331”不固定到第一壁部分321'、331'，从而在尾壁331和/或在头壁321中留下绳索插入开口61。绳索插入开口61也与通道开口6连通，以允许绳索2借助于壳体3和绳索2之间垂直于轴向方向X'的相对移动插入到通道开口6、6'中。此外，在绳索安装配置中，可移除的壁部分321”、331”固定到第一壁部分321'、331'，以便封闭绳索插入开口61。

优选地，可移除的壁部分321”、331”至少部分限定通道开口6、6'。

根据本发明的一个实施例，第一壁部分321'、331'包括至少一个滑动导向件，可移除的壁部分331”、321”可滑动地接合在该滑动导向件中，以从暴露绳索插入开口61的抽出配置切换至可移除的壁部分封闭绳索插入开口61的插入配置。

优选地，壳体侧壁31包括固定部分31'，该固定部分在头端32和尾端33之间限定了主要沿着轴向方向X'延伸的轴向开口28。此外，壳体侧壁31包括可移动部分31”，例如门，该可移动部分适于采取封闭配置和开放配置，在封闭配置中，可移动部分封闭轴向开口28，在开放配置中，可移动部分31”处于允许进入轴向开口28的位置。因此，在壳体3和绳索2之间垂直于轴向方向X'的相对移动中，绳索可以横穿轴向开口28。

轴向开口28有助于将设备安装在绳索上，从而使插入绳索的操作执行起来特别容易，并且允许快速且有效地将设备从一根绳索安装到另一根绳索上，而无需复杂的固定操作。

在本发明的一个有利实施例中，在每个绳索通道开口6、6'附近，三维光学测量设备1包括遮挡壁65，该遮挡壁从头壁321或从尾壁331突出并且朝向绳索接收腔29向内部延伸，以便至少部分遮挡光线从壳体外部向绳索接收腔29的进入。这允许进一步减少外部光线对绳索接收腔29的可能干扰，从而确保坚固性、精度和3D重建可靠性更高。

根据一个有利的实施例，照明装置I0、I1、I2、I3投射照明光束B0、B1、B2、B3，该照明光束具有带有顶角α0、α1、α2、α3的开口锥形，以便至少在预定义的距离D内防止照明光束与每个图像采集装置C0、C1、C2、C3的视锥w0、w1、w2、w3相交。这种预定义的距离D被计算为从图像采集装置C0、C1、C2、C3的图像传感器平面π开始并且沿着垂直于所述图像传感器平面π的方向趋向绳索接收腔29测量的距离。由此，对于至少预定的距离D，每个图像采集装置C0、C1、C2、C3的视锥w0、w1、w2、w3不受照明装置I0、I1、I2、I3的任何照明光束的影响。此外，特别有利的是，照明装置的照明光束不直接影响相对于绳索2布置在相对侧的图像采集装置C0、C1、C2、C3的图像传感器平面π。

这允许保持绳索的充足照明，从而尽可能减少任何照明伪像。

优选地，壳体侧壁31的内表面310上布置有适于吸收光电磁辐射并且减少反射的材料，例如黑涂料。这种内表面310面向绳索接收腔29。

根据一个替代实施例，图像采集装置C0、C1、C2、C3至少包括第一对图像采集装置C0、C2和第二对图像采集装置C1、C3。在这样的实施例中，第一对C0、C2的图像采集装置以径向相对的方式布置，并且第二对C1、C3的图像采集装置以径向相对的方式布置并且相对于第一对的图像采集装置的对准方向沿着垂直方向对准。此外，在图像采集装置的第一对C0、C2和第二对C1、C3之间，至少一个照明装置I0、I1、I2、I3沿着周向方向C插入并且与图像采集装置周向间隔开。换句话说，照明装置I0、I1、I2、I3介于第一对或第二对中的每一个的图像采集装置之间并且与每一对的这种图像采集装置中的每一个周向间隔开。

本发明还涉及一种用于对绳索2的几何参数进行三维测量的三维光学测量方法。该方法包括以下步骤：

a)提供三维光学测量设备1，例如本讨论中所述的三维光学测量设备1，其包括多个图像采集装置C0、C1、C2、C3，该多个图像采集装置固定在框架3'上并且沿着周向方向C围绕绳索2间隔布置，该周向方向围绕绳索2的主延伸轴线延伸并且位于入射至或垂直于绳索2的主延伸轴线的平面P上，

并且其中，适于照亮绳索2的至少一个区域的照明装置I0、I1、I2、I3沿着周向方向C布置在一对相邻图像采集装置C0、C1；C1、C2；C2、C3；C3、C1之间；

b)在绳索2和三维光学测量设备1之间执行相对移动；

c)在步骤b)的相对移动期间，借助于照明装置I0、I1、I2、I3照亮绳索，并且采集绳索2的外表面21的至少一个区域的多个数字图像；

e)借助于电子装置处理多个数字图像，并且获得绳索2的由图像采集装置采集的数字图像的点的三维摄影测量重建。

在优选实施例中，图像采集装置C0、C1、C2、C3的是带有矩阵(二维)图像传感器的摄像机。优选地，摄像机的光学器件400具有位于偏移90°的圆周上的光学焦点，并且每个光学器件400面向圆周的中心。可以在每个摄像机上识别源自光学器件的焦点的右手笛卡尔轴线Xi、Yi、Zi的系统，例如i＝{0，1，2，3}，其分别与第n个摄像机集成，具有方向和取向与每个摄像机图像传感器的X轴线和Y轴线一致的Xi轴线和Yi轴线；优选地，这种摄像机C0、C1、C2、C3被定向成使得轴线Xi垂直于包含圆周的平面，并且所有轴线都定向在相同的取向上，轴线Zi朝向圆周的中心定向。摄像机C0的三维空间X0、Y0、Z0优选地作为绝对三维参考系统。

优选地，绳索适当地定位在系统内部，以使其包含在每个摄像机的视野中，并且调节摄像机所处的圆周的半径的尺寸、光学器件的焦点距离、摄像机传感器的尺寸，以使其适应沿着轴线测量的样本的长度、最大可测量直径或测量系统获得的分辨率。

优选地，对系统进行校准，例如在图像采集装置的组装步骤完成之后，以便获得所采集的图像的点的三维摄影测量重建的后续步骤所需的每个装置的固有参数和非固有参数，从而获得本质上经过校准的系统。

参考对极几何的极线的公知定义(其描述了结合由两个摄像机捕获的同一3D场景的两个2D图像的几何关系和约束)，已知图像上的点与世界中的线对向，并且该世界中的被投影在另一图像上的直线(由放置在不同视点的摄像机采集)表示第一图像的点的同源物所在的极线。同源点、极线和图像采集系统的几何形状之间的关系借助于合适的已知代数关系来描述。为了利用极线几何的上述概念，例如，如果图像采集装置是摄像机，则计算以下内容：

-固有(或校准)矩阵；

-第n个摄像机的失真函数fi(r)＝(1+di1r+di2r2+di3r3+di4r4+di5r5+di6r6)的dix参数，其中，r表示数字图像上的在传感器的中心处的点的距离，其中这些参数允许根据对光学器件的固有失真的影响来矫正图像；

-每个摄像机的笛卡尔系统之间的旋转平移矩阵；

-本征矩阵；

-基本矩阵；

-校正矩阵；

-来自3D空间校正平面的投影矩阵。

优选地，在校准之后，在计算了前述参数和前述矩阵后，例如，从两个不同的图像采集装置所采集的两个图像开始，在三维空间中对属于绳索的任何点进行摄影测量重建，所述两个不同的图像采集装置将绳索或缆绳的该点框定。

更具体地说，在优选实施例中，例如借助于上述三维光学测量设备1对绳索2的几何参数进行三维光学测量的方法还包括以下步骤：

a1)采集绳索的外表面的第一区域11'的第一数字图像10'、10”；

b1)采集绳索2的外表面的第二区域21'的第二数字图像20'、20”，所述第二区域21'至少部分不同于所述第一区域11'；

c1)分别确定绳索的外表面的所述第一区域11'和所述第二区域21'的所述第一数字图像10'、10”和所述第二数字图像20'、20”上的第一系列轮廓线12、12'和第二系列轮廓线22、22'，其中所述第一系列轮廓线12、12'和所述第二系列轮廓线22、22'分别包括第一组多个图像轮廓点和第二组多个图像轮廓点；

d1)搜索分别属于所述第一组多个图像轮廓点和所述第二组多个图像轮廓点的第一轮廓点16、16a、16'、16a'和第二轮廓点26、26a、26'、26a'，使得第一轮廓点16、16a、16'、16a'和第二轮廓点26、26a、26、26a'是同源点或属于同一极线的点并且各自表示表面点50、51、52的图像，所述表面点50、51、52是由绳索2的外表面的第一区域11'和第二区域21'共享的点；

e1)在三维空间40中对第一轮廓点16、16a、16'、16a'和第二轮廓点26、26a、26'、26a'进行摄影测量反向投影，以便获得参考所述三维空间40的3D轮廓点60'、61'、62'；

f1)重复步骤a1)至e1)多次，直至获得参考所述三维空间40的至少第一组多个3D轮廓点60'和第二组多个3D轮廓点61'、62'的三维表示；

g1)借助于至少第一组多个3D轮廓点和/或第二组多个3D轮廓点来计算绳索的以下几何参数中的至少一个：绳索直径80、81或绳索圆度、或绳索轴线30。

很明显，术语“圆度”也指绳索圆度的指标。

例如，第一系列轮廓线12是通过第一数字图像采集装置C1看到的绳索或缆绳的外表面11'的第一区域的轮廓线的数字图像的描绘，而第二系列轮廓线22是通过第二数字图像采集装置C0看到的绳索或缆绳的外表面21'的第二区域的轮廓线的数字图像的描绘。

优选地，用于计算绳索或缆绳的轴线的操作包括计算轴线的长度及其取向。

优选地，除了上述步骤之外，还要计算绳索或缆绳的外表面的3D轮廓线70a、70b、70c、70d，其中每个3D轮廓线70a、70b、70c、70d作为最接近第一组多个3D轮廓点60'或第二组多个3D轮廓点61'、62'的回归获得。

因此，优选获得绳索或缆绳的整个表面的至少两条且优选四条3D三维轮廓线。

任何3D多摄像机重建算法都用于三维空间中的点的摄影测量反向投影，一些非穷尽示例是3D算法的三角测量算法或视差图重投影或者是其组合。

在该方法的一个实施例中，检测相对于摄像机的静止样本或移动样本的对应数字图像。然后，借助于上述的fi(r)函数，通过重建每个点的正确位置，矫正和净化每个数字图像，消除光学失真的影响。

在以下描述中，同源点是指由对应的数字图像采集系统所采集的数字图像上的每个点，其代表真实三维世界中的同一点。例如，可以借助于用于搜索同源点的已知算法在图像上搜索这样的同源点，比如基于图像相关性、基于边缘、基于区段、自适应窗口、从粗到精、动态编程、马尔可夫随机场、图割-多基线、或其组合。

在该方法的一个实施例中，其中第一系列轮廓线12和第二系列轮廓线22的至少一部分分别界定了例如从上述步骤a1)至c1)获得的第一数字图像10'和第二数字图像20'的数字图像的第一区域13和第二区域23，表示绳索轴线30的3D中点32'优选根据以下步骤获得：

c2)计算每个第一系列轮廓线12和第二系列轮廓线22中的第一中轴14和第二中轴24，其中，所述第一中轴14和第二中轴24作为回归获得，该回归分别最接近第一组多个图像轮廓点的至少一部分和第二组多个图像轮廓点的至少一部分，

并且其中，所述第一中轴14和第二中轴24分别将数字图像的第一区域13和第二区域23划分为对应的第一子区域13a、23a和第二子区域13b、23b；

d2)搜索分别属于第一中轴14和第二中轴24的第一中点15和第二中点25，使得第一中点15属于与第二中点25相同的极线，并且使得第一中点和第二中点代表属于绳索或缆绳2的3D中轴30的点31a的虚拟图像；

e2)在三维空间40中对第一中点15和第二中点25进行摄影测量反向投影，以便获得参考所述三维空间40的3D中点32'；

f2)重复步骤c2)至e2)多次，直至获得代表绳索轴线30的点的多个3D中点32'的三维表示。因此，这样的中点优选地是借助于三个笛卡尔坐标识别的一系列点，并且这样的中点描述了部分绳索或整个绳索的轴线沿着这种绳索的优选方向的逐点趋势。

优选地，除了上述步骤之外，还包括用于计算插值3D中轴33'的步骤，该插值3D中轴作为最接近多个3D中点32'的回归获得。例如，这种回归是任何回归曲线，并且优选是回归线。

在该方法的另一个实施例中，还可以根据以下步骤测量绳索或缆绳的直径：

-对插值的3D中轴33'进行取样，以便获得属于所述插值3D中轴33'的多个取样3D轴向点；

-至少计算第一轮廓交点72、第二轮廓交点74、第三轮廓交点71和第四轮廓交点73，以作为与穿过所述多个取样3D轴向点的轴线点34的插值3D中轴33'垂直的平面与3D轮廓线70a、70b、70c、70d之间的交点；

-至少计算第一轴线距离82、第二轴线距离83、第三轴线距离84和第四轴线距离85，以分别作为第一轮廓交点72和轴线点34之间、第二轮廓交点74和轴线点34之间、第三轮廓交点71和轴线点34之间以及第四轮廓交点73和轴线点34之间的距离；

-至少计算第一直径80和第二直径81，以分别作为第一轴线距离82和第二轴线距离83的总和以及第三轴线距离84和第四轴线距离85的总和。

优选地，绳索或缆绳的点圆度被测量为至少第一直径80和第二直径81之间的比率。

此外，在该方法的替代方案中，在绳索或缆绳充分轴对称的情况下，绳索直径被计算为第一轮廓点和第二轮廓点之间的距离。

随后，还可以基于计算的点圆度(例如平均圆度)的样本总体来计算统计变量，以作为点圆度的平均值或点圆度的方差。

此外，本发明的方法包括计算绳索或缆绳的波纹度的步骤，即绳索的表面均匀性的测量。

为了计算绳索的外表面的波纹度，该方法包括以下步骤：

w1)至少计算第一轴线距离82或多个轴线距离，例如第一轴线距离82、第二轴线距离83、第三轴线距离84和第四轴线距离85；

w2)对于绳索的给定长度或对于绳索的整个长度，重复步骤w1)的计算；

w3)基于在步骤w2)中采集的多个第一轴线距离82的样本总体或多个轴线距离82、83、84、85的样本总体来计算至少一个统计变量，例如第一轴线距离82的样本标准偏差，或者处理多个轴线距离82、83、84、85的样本标准偏差或多个轴线距离82、83、84、85的样本标准偏差的平均值。

多个轴线距离82、83、84、85的样本标准偏差的平均值是评估外表面的波纹度的优选指标。

在该方法的一个实施例中，优选采集至少一对数字图像，并且对于绳索或缆绳的每对图像执行以下操作：

a3)借助于校正矩阵，将图像的点从摄像机传感器的对于2D平面变换到校正的2D平面，从而获得第一校正图像和第二校正图像；

b3)在每个校正图像中，将样本图像与背景分离，提取识别绳索或缆绳外形的轮廓线的点，并且计算最接近校正图像的轴线的回归线；例如，如果外形的轮廓线由例如平行于传感器的优选方向布置的上部线12a、22a和下部线12b、22b构成，则最接近样本的校正图像的轴线的回归线被计算为从属于上部线12a、22a和下部线12b、22b的点的坐标的平均值获得的点的回归线；

c3)对于第一校正图像的上部线12a的每个点，搜索第二校正图像中的同源点；

d3)对于第二校正图像的下部线22b的每个点，搜索第一校正图像中的同源点；

e3)对于第一校正图像的轴线的每个点，搜索属于同一极线的第二校正图像的轴线的点；

f3)如果一对摄像机中的每个摄像机相对于绳索或缆绳的轴线径向相对地定位，则对于第一校正图像上的上部线12a'的每个点，搜索属于同一极线并且属于从两个摄像机中可见的绳索的外表面11'、21'的区域的同一公共区域4的第二校正图像的上部线22a'或下部线22b'的点，并且对于第一校正图像上的下部线12b'的每个点，搜索属于同一极线并且属于从两个摄像机中可见的绳索的外表面11'、21'的区域的同一公共区域4的第二校正图像的下部线22b'或上部线22a'的点，并且对于第一校正图像14'的轴线的每个点，搜索属于同一极线的第二校正图像24'的轴线的点；

g3)获得属于绳索的轮廓线的第一组相应点对、属于绳索的轮廓线的第二组相应点对以及属于校正图像的轴线的第三组相应点对。因此，相应点是指同源点或属于同一极线的点。如图11所示，从穿过一对摄像机中的每个摄像机的焦点的平面上看，属于校正图像的轴线的所有点也属于绳索的图像的对称轴线，所以属于图像轴线的这些点表示属于绳索轴线的点的投影。

因此，优选地，借助于来自三维空间校正平面的投影矩阵，对属于绳索或缆绳的轮廓线和属于三维空间中的校正图像的轴线的相应点对的集合进行反向投影，从而获得相对于三维空间的绳索或缆绳的轮廓线的点和轴的三维表示。

在该方法的替代实施例中，包括四个摄像机，这些摄像机形成至少六个独立的摄像机对，其中每对摄像机检测对应的数字图像对，并且其中由第一对摄像机采集的两个图像中的至少一个图像不同于由第二对摄像机采集的两个图像中的至少一个图像。

在本发明的另一个实施例中，例如，优选借助于上述的经校准的三维光学测量设备1来测量绳索或缆绳的轴线的线性度，除了重建代表绳索轴线的点的多个3D中点32'的步骤之外，还执行以下其他步骤：

-用插值曲线90对多个3D中点32'进行插值；

-计算插值3D轴线33'和属于插值曲线90的3D中点32'之间的距离。

在该方法的另一个实施例中，对插值曲线进行取样，以获得多个取样3D中点，并且将理想3D中轴35计算为最接近所述多个取样3D中点的回归线，然后计算理想3D中轴35和所述多个取样3D中点的取样3D中点37之间的距离38。

例如，插值曲线是任何几何曲线，或者例如，该插值曲线是借助于3D中点的3D插值而获得的部分线性曲线。

优选地，理想3D中轴35和所述多个取样3D中点的取样3D中点37之间的距离38被计算为联结取样3D中点37和垂直于理想3D中轴并且穿过取样3D中点的平面与理想3D中轴之间的交点的线的长度。

在该方法的另一个实施例中，还测量绳索的螺旋线或线圈的节距，例如，在绳索设置有绳股或绳索具有螺旋或螺旋状外表面的情况下。优选地，除了步骤a1)、b1)、c1)和c2)之外，或者除了先前段落中描述的用于计算第一中轴14和第二中轴24的步骤a1)至g1)和c2)之外，还包括以下其他步骤：

a4)识别绳索的外表面的所述第一区域11'和所述第二区域21'的第一数字图像10'和第二数字图像20'上识别分隔线100、102、104，其中分隔线100、102、104界定第一数字图像10'和第二数字图像20'的连续区域101、103，它们相对于第一中轴14或第二中轴24沿着基本平行的方向彼此跟随并且从第一子区域13a、23a到第二子区域13b、23b穿过第一中轴14或第二中轴24。

b4)识别分隔线100、102、104与第一中轴14和/或第二中轴24之间的交点200、300；

c4)搜索同源交点200a、300a，使得所述同源交点200a、300a代表所述交点200、300的同源点，并且使得所述交点200、300和同源交点200a、300a各自代表绳索的外表面的第一区域11和第二区域21共有的点的图像；

d4)在三维空间40中对交点200、300和同源交点200a、300a进行摄影反向投影，以获得参考三维空间40的3D交点210、310；

e4)重复步骤a4)至d4)多次，直至获得属于绳索的外表面的第一区域11'和第二区域21'的多个3D交点210、211、310的三维表示；

f4)计算至少第一3D交点210与至少第二3D交点211之间的距离，所述第二3D交点211相对邻近第一3D交点210。优选地，上述步骤f4)中计算的所述距离是绳索或缆绳的线圈或螺旋线的所述节距。

优选地，第一3D交点210和第二3D交点211之间的距离被定义为螺旋线或螺旋的节距。

为了获得多个3D交点210、211的三维表示，这允许计算线圈的节距，例如，也可以借助于一个步骤进行，在该步骤中，使用来自三维空间校正平面的投影矩阵，如已经针对绳索的轮廓线所述，从而获得参考三维空间的轮廓线的3D交点的三维表示。

在该方法的另一个实施例中，包括另一个步骤，其中统计变量(平均值、方差、百分位数...)是基于第一3D交点210和第二3D交点211之间的距离(节距)的总体来计算的，例如，平均节距是作为第一3D交点210和第二3D交点211之间的距离的平均值而获得的。

优选地，在本发明的一个实施例中，根据摄影测量中的已知图像校正技术，数字图像是校正图像。例如，借助于通常用于将多个图像投影到具有标准坐标系的公共二维表面上的变换过程，对摄像机所采集的图像进行校正，这修改了每个图像的透视变形。

优选地，根据本发明的方法迭代地应用于沿着平行于绳索2的主维度的H-H'方向至少部分连续的绳索2的部分。这种维度也可以具有不定的长度，并且这种方法沿着所述不定长度的维度迭代地应用。

优选地，显而易见，根据本发明的方法包括同时采集预定长度的绳索的一部分的至少两个或更多个数字图像，每个数字图像由对应的数字图像采集装置采集。因此，其目的不是采集绳索的单个点或单个横向线，而是采集沿着绳索轴线延伸预定长度的绳索的部分。

优选地，前述段落中所述的方法可以以软件代码部分的形式直接加载到计算机的内部存储器中，当软件在计算机上运行时，该软件代码部分适于根据迄今为止所描述的内容实施该方法。

显而易见，创新性地，根据本发明的经校准的三维光学测量设备和三维光学测量方法允许重建绳索或缆绳或者绳索或缆绳的静止或移动的部分的三维测量，因此以非侵入性和非破坏性的方式对绳索或缆绳进行测量和质量检查，这沿着物体的整个长度具有连续性，无需操作员进行手动测量，无需停止绳索或缆绳的移动，并以精确和准确的方式进行。

具体地说，凭借布置在一对相邻图像采集装置之间的照明装置的存在，可以充分照亮绳索，同时确保设备足够紧凑并且允许防止可能的反射或伪像，这完全归功于夹在照明装置和图像采集装置之间的这种布置。

此外，凭借数字图像采集装置以及照明装置围绕绳索的特殊布置，可以获得特别紧凑且易于运输的设备，而不会损失测量准确度。

此外，有利地，适于以相对于绳索2相对可平移的方式将三维光学测量设备约束到绳索上的附接装置4'的存在允许整个设备移动，从而允许在设备沿着绳索移动时计算几何3D参数。连同摄像机的特定布置，这是特别有利的，因为它防止不得不滑动绳索并且允许设备用于绳索被固定(例如用于监测桥梁绳索或者高空索道或缆绳的支撑绳索等)或者设备相对于地面上的参考保持固定并且绳索相对于设备滑动(例如，用于监测缆车的提升绳索或牵引绳索等)的各种情况。

此外，有利的是，提供与壳体3间隔开并且仅在联结区域11处联结并且可能设置有阻尼元件的支撑结构10，这允许限制任何振动，从而防止在设备相对于绳索的移动期间朝向图像采集装置的任何振动。

此外，更有利的是，该系统允许简单地通过使绳索相对于设备相对移动来获得绳索或缆绳的轴线的线性度、接近旋转体的物体的直径和圆度的测量值、以及绳索或缆绳的表面上存在的线圈的节距的测量值，这仅从物体本身的外表面的图像开始并且针对不定长度。例如，这对于相当长的绳索或缆绳的尺寸验证是有用的。

此外，从绳索照明的角度来看，即使在环境条件恶劣的情况下，该设备也能够自动执行几何参数的测量，比如在受烟雾、气体、灰尘、风化污染的环境中进行测量。此外，该系统允许连续地执行测量，而不考虑形成绳索的外表面和内表面的尺寸和材料。

此外，由于该设备本质上是经过校准的，所以该设备在每次测量前不需要进一步的校准操作，但对于未校准的光学测量系统会出现不利情况。

此外，多个轮廓3D点的三维重建以及绳索参数的三维测量允许克服绳索和摄像机之间的透视定位的问题，这是因为绳索轮廓将始终在校准的三维空间中重建，并且无论在图像采集期间摄像机和绳索之间的相对位置如何，始终可以计算参数。

此外，有利的是，使用同步摄像机(其优选具有二维矩阵图像传感器)允许在同一时刻采集绳索的整个部分的图像，随后进行摄影测量重建，从而减少甚至消除由于绳索围绕垂直于绳索轴线的轴线的任何振动而引起的测量误差。

此外，使用带有矩阵传感器以及照明装置的摄像机允许在非常短的曝光时间内采集绳索样本的2D图像，从而最大限度地降低由于绳索的振动而引起误差的可能性，如果使用线性传感器，则会出现这种情况。

为了满足可能的需求，本领域的技术人员可以对上述发明进行变更，所有变更均包含在所附权利要求所定义的保护范围内。

Claims (19)

1.一种经校准的三维光学测量设备(1)，用于绳索(2)的几何参数的三维测量，包括：

-框架(3')，所述框架限定绳索接收腔(29)并且围绕该绳索接收腔布置；

-多个图像采集装置(C0，C1，C2，C3)，所述多个图像采集装置适于采集所述绳索(2)的外表面(21)的至少一个区域的多个数字图像，所述图像采集装置(C0，C1，C2，C3)固定至所述框架(3')，并且当所述三维光学测量设备(1)在所述绳索接收腔(29)中接收所述绳索(2)时所述图像采集装置围绕所述绳索(2)布置；

-电子数字图像处理装置，所述电子数字图像处理装置被配置成处理所述多个数字图像并且获得所述绳索的由所述图像采集装置(C0，C1，C2，C3)采集的数字图像的点的三维摄影测量重建；

其中，在限定了围绕所述绳索(2)的主延伸轴线延行并且位于入射至或垂直于所述绳索(2)的主延伸轴线的平面(P)上的周向方向(C)之后，所述图像采集装置(C0，C1，C2，C3)沿着所述周向方向(C)沿周向彼此间隔地布置在所述框架(3')上，

并且其中，适于照亮所述绳索(2)的至少一个区域的照明装置(I0，I1，I2，I3)沿着所述周向方向(C)布置在一对相邻的图像采集装置(C0，C1；C1，C2；C2，C3；C3，C1)之间。

2.根据权利要求1所述的三维光学测量设备(1)，其中，所述电子数字图像处理装置包括存储单元，在所述存储单元中存储了每个图像采集装置(C0，C1，C2，C3)的固有校准参数和非固有校准参数。

3.根据权利要求1或2所述的三维光学测量设备(1)，其中，所述框架(3')包括壳体(3)和支撑结构(10)，所述壳体限定所述绳索接收腔(29)并且围绕该绳索接收腔布置，所述支撑结构联结到所述壳体(3)，所述图像采集装置(C0，C1，C2，C3)固定在所述支撑结构(10)上。

4.根据权利要求3所述的三维光学测量设备(1)，其中，所述支撑结构(10)包括被可释放地联结至所述壳体(3)的联结区域(11)。

5.根据权利要求3或4所述的三维光学测量设备(1)，其中，所述支撑结构(10)在该支撑结构的不同于所述联结区域(11)的其余部分与所述壳体(3)间隔开。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的三维光学测量设备(1)，其中，在所述支撑结构(10)和所述壳体(3)之间插入有阻尼元件(5)，所述阻尼元件由适于抑制从所述壳体(3)到所述支撑结构(10)的振动传递的材料制成，例如橡胶或弹性材料。

7.根据权利要求3所述的三维光学测量设备(1)，其中，所述壳体(3)和所述支撑结构(10)联结，以形成单件或形成单件的一部分。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的三维光学测量设备(1)，其中，所述支撑结构(10)具有开放的环形形状，并且所述壳体(3)具有盒状形状，所述壳体(3)围绕所述支撑结构(10)的内部或外部布置。

9.根据权利要求8所述的三维光学测量设备(1)，其中，所述支撑结构(10)围绕所述壳体(3)的外部布置，并且其中，所述壳体(3)包括壳体侧壁(31)，所述壳体侧壁沿着平行于所述绳索(2)的主延伸轴线的轴向方向(X')在头端(32)和尾端(33)之间延伸，所述壳体侧壁(31)适于在所述三维光学测量设备(1)相对于所述绳索(2)相对滑动时与所述绳索(2)间隔布置，对于每个图像采集装置(C0，C1，C2，C3)，在所述壳体侧壁(31)上设置有至少一个观察窗口(V0，V1，V2，V3)，使得所述图像采集装置能够通过所述观察窗口(V0，V1，V2，V3)检测所述绳索(2)的数字图像。

10.根据权利要求8至9中任一项所述的三维光学测量设备(1)，其中，所述壳体(3)包括壳体尾壁(331)和壳体头壁(321)，所述壳体尾壁和壳体头壁相应地封闭靠近所述尾端(33)和所述头端(32)的壳体侧壁(31)，

并且其中，在所述壳体头壁(321)和所述壳体尾壁(331)中的每一个上设置有至少一个通道开口(6，6')，所述绳索(2)能够横穿所述通道开口，

并且其中，所述尾壁(331)和所述头壁(321)各自至少包括与所述壳体侧壁(31)固定并且成一体的第一壁部分(321'，331')以及被可释放地固定至所述第一壁部分(321'，331')的可移除的壁部分(321”，331”)，

使得，在绳索插入配置中，所述可移除的壁部分(321”，331”)不固定至所述第一壁部分(321'，331')，从而在所述尾壁(331)和/或在所述头壁(321)中留下绳索插入开口(61)，所述绳索插入开口(61)与所述通道开口(6)连通，以允许借助于所述壳体(3)和所述绳索(2)之间的垂直于所述轴向方向(X')的相对移动将所述绳索(2)插入所述通道开口(6，6')中，

并且使得，在绳索安装配置中，所述可移除的壁部分(321”，331”)固定至所述第一壁部分(321'，331')，以便封闭所述绳索插入开口(61)。

11.根据权利要求10所述的三维光学测量设备(1)，其中，所述可移除的壁部分(321”，331”)至少部分地限定所述通道开口(6，6')。

12.根据权利要求10或11所述的三维光学测量设备(1)，其中，所述第一壁部分(321'，331')包括至少一个滑动导向件，所述可移除的壁部分(321”，331”)被可滑动地接合在所述滑动导向件中，以从抽出配置切换至插入配置，在所述抽出配置中，所述绳索插入开口(61)被暴露，在所述插入配置中，所述可移除的壁部分封闭所述绳索插入开口(61)。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的三维光学测量设备(1)，其中，所述壳体侧壁(31)包括：固定部分(31')，所述固定部分在所述头端(32)和所述尾端(33)之间限定了主要沿着所述轴向方向(X')延伸的轴向开口(28)，

以及可移动部分(31”)，例如门，所述可移动部分适于采取封闭配置和开放配置，在所述封闭配置中，所述可移动部分封闭所述轴向开口(28)，在所述开放配置中，所述可移动部分(31')处于允许进入所述轴向开口(28)的位置，

在所述壳体和所述绳索之间的垂直于所述轴向方向(X')的相对移动期间，所述绳索能够横穿所述轴向开口(28)。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的三维光学测量设备(1)，其中，在每个绳索通道开口(6，6')附近，所述三维光学测量设备(1)包括遮挡壁(65)，所述遮挡壁从所述头壁(321)或从所述尾壁(331)突出并且朝向所述绳索接收腔(29)向内部延伸，以便至少部分遮挡光线从所述壳体外向所述绳索接收腔(29)的进入。

15.根据前述权利要求中任一项所述的三维光学测量设备(1)，其中，每个照明装置(I0，I1，I2，I3)投射照明光束(B0，B1，B2，B3)，所述照明光束具有带有顶角(α0，α1，α2，α3)的开口锥形，以便至少在预定义的距离(D)内防止所述照明光束与每个图像采集装置(C0，C1，C2，C3)的视锥(w0，w1，w2，w3)相交，所述预定义的距离(D)被计算为从图像采集装置的图像传感器平面(π)开始并且沿着垂直于所述图像传感器平面(π)的方向并趋向所述绳索接收腔(29)的距离。

16.根据权利要求9至15中任一项所述的三维光学测量设备(1)，其中，在所述壳体侧壁(31)的面向所述绳索接收腔(29)的内表面(310)上布置有适于吸收光电磁辐射并且减少反射的材料，比如黑涂料。

17.根据前述权利要求中任一项所述的三维光学测量设备(1)，其中，所述图像采集装置(C0，C1，C2，C3)至少包括第一对图像采集装置(C0，C2)和第二对图像采集装置(C1，C3)，其中，第一对的图像采集装置(C0，C2)以径向相对的方式布置，并且第二对的图像采集装置(C1，C3)以径向相对的方式布置并且相对于所述第一对的图像采集装置的对准方向沿着垂直方向对准，

并且其中，所述照明装置(I0，I1，I2，I3)沿着所述周向方向(C)插入在第一对和第二对图像采集装置之间并且与所述图像采集装置周向地间隔开。

18.根据前述权利要求中任一项所述的三维光学测量设备(1)，包括附接装置(4')，所述附接装置适于以相对于所述绳索(2)能够相对平移的方式将所述三维光学测量设备(1)约束至所述绳索。

19.一种三维光学测量方法(1)，用于绳索(2)的几何参数的三维测量，包括以下步骤：

a)提供三维光学测量设备(1)，所述三维光学测量设备包括固定到框架(3')并且围绕所述绳索(2)沿着周向方向(C)间隔布置的多个图像采集装置(C0，C1，C2，C3)，所述周向方向围绕所述绳索(2)的主延伸轴线延行，并且所述周向方向位于入射至或垂直于所述绳索(2)的主延伸轴线的平面(P)上，

其中，适于照亮所述绳索(2)的至少一个区域的照明装置(I0，I1，I2，I3)沿着所述周向方向(C)布置在一对相邻的图像采集装置(C0，C1；C1，C2；C2，C3；C3，C1)之间；

b)在所述绳索(2)和所述三维光学测量设备(1)之间执行相对移动；

c)在步骤b)的相对移动期间，通过所述照明装置(I0，I1，I2，I3)为所述绳索(2)照明，并且采集所述绳索(2)的外表面(21)的至少一个区域的多个数字图像；

e)借助于电子装置处理所述多个数字图像，并且获得所述绳索(2)的由所述图像采集装置采集的数字图像的点的三维摄影测量重建。

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