ES2638781T3

ES2638781T3 - Incremento dinámico en la triangulación codificada por colores

Info

Publication number: ES2638781T3
Application number: ES14731574.1T
Authority: ES
Inventors: Helmuth EULER; Peter Rentschler; Anton Schick
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2014-06-11
Publication date: 2017-10-24
Anticipated expiration: 2034-06-11
Also published as: EP2984445B1; EP2984445A1; JP6072363B2; DE102013211802A1; JP2016524149A; CN105324630B; US9693027B2; WO2014202442A1; KR101814479B1; US20160156888A1; KR20160020576A; CN105324630A

Abstract

Disposición (1) para la triangulación codificada por colores de un objeto (2) a medir, que comprende una unidad de proyector (4) para proyectar un patrón de colores sobre una superficie de objeto del objeto (2) a medir, al menos una cámara (8) con un sensor de cámara (10), para muestrear una proyección del patrón de colores proyectado sobre la superficie, en donde el sensor de cámara (10) es sensible a la luz en una primera, en al menos una segunda y una tercera región espectral (12, 14, 16), en donde las regiones espectrales sensibles (12, 14, 16) están dispuestas según longitudes de onda ascendentes, en donde la disposición (1) comprende al menos un filtro de color (18) que presenta una primera, al menos una segunda y una tercera región de transmitancia espectral (20, 22, 24), en donde las regiones de transmitancia espectral (20, 22, 24) están separadas por parejas, en donde una longitud de onda de intervalo superior de la primera región de transmitancia (26) está situada dentro de la primera región espectral sensible (12) del sensor de cámara (10), unas longitudes de onda de intervalo inferior y superior de la al menos una segunda región de transmitancia (28, 30) están situadas dentro de la al menos una segunda región espectral sensible (14), y una longitud de onda de intervalo inferior de la tercera región de transmitancia (32) está situada dentro de la tercera región espectral sensible (16) del sensor de cámara (10), caracterizada porque la unidad de proyector (4) comprende una fuente luminosa (34 ), una transparencia (6) y el filtro de color (18), que está aplicado dentro de la unidad de proyector (4) entre la fuente luminosa (34) y la transparencia (6).

Description

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DESCRIPCION

Incremento dinamico en la triangulacion codificada por colores

La invencion hace referencia a una disposicion para medir la superficie de un objeto mediante triangulacion codificada por colores.

Los metodos de triangulacion opticos se emplean ampliamente para medir superficies o toda la forma geometrica de objetos tridimensionales sin contacto directo. En general la triangulacion es un metodo geometrico de la telemetrla optica mediante la medicion angular dentro de triangulos. El calculo se realiza as! mediante funciones trigonometricas. En general se diferencia entre procedimientos de triangulacion pasivos y activos. Los procedimientos activos poseen, al contrario que los pasivos, una unidad de proyector que proyecta luz estructurada sobre la superficie de un objeto. La unidad de proyector puede ser un proyector, o un laser, o un diodo laser. Segun el estado de la tecnica se proyecta luz sobre la superficie de un objeto a medir. La luz dispersada se muestrea a continuacion mediante una camara y se analiza bajo un angulo fijo, el angulo de triangulacion. La llnea que une la fuente luminosa y la camara, as! como los dos haces de luz desde y hacia el objeto a medir abarcan un triangulo, de tal manera que en el caso de una distancia conocida entre la fuente luminosa y la camara, y conocidas las direcciones de los haces, puede determinarse la distancia entre la camara y el objeto.

Para la medicion tridimensional mediante triangulacion codificada por colores se proyecta normalmente un patron formado por bandas de colores, que es generada por ejemplo mediante una transparencia, bajo una direccion del haz prefijada, sobre el objeto a medir. Es ventajoso que las posiciones espaciales en el proyector se representen sobre la superficie del objeto codificadas por colores. En un angulo fijo se analiza a continuacion mediante una camara la luz de colores dispersada. Debido a la forma curvada de la superficie del objeto las bandas de color sufren un desplazamiento de fase en funcion de la posicion, a partir del cual finalmente puede determinarse la forma de la superficie. Sin embargo, las bandas de color en la imagen de la luz dispersada estan sujetas unas modulaciones de luminosidad, que son el resultado de la absorcion y reflectividad que dependen localmente del propio color de la superficie del objeto. Asimismo se produce siempre una superposicion con la luz del entorno, que casi siempre es de color. De este modo puede producirse por ejemplo como imagen de proyeccion un desplazamiento de los colores en el espacio de colores o bien los colores individuales pueden reconocerse con dificultad a causa de la perdida de luminosidad. Segun el estado de la tecnica se intenta compensar esta perdida dinamica con camaras HDR. En particular para aplicaciones medicinales, sin embargo, hasta ahora no ha sido posible aprovechar esta tecnologla a causa de los rapidos movimientos del objeto.

Por parte de la camara se utilizan, segun el estado de la tecnica, sensores de imagenes con un sensor Bayer preconectado. El sensor Bayer presenta a este respecto tres regiones espectrales sensibles, que estan situadas casi siempre en el azul, verde y rojo. De este modo la luz de color de la proyeccion de la superficie del objeto, antes de que incida sobre las superficies fotosensitivas del sensor de imagenes de la camara, puede filtrarse espectralmente por colores. Sin embargo, la disposicion para determinar el color es muy imprecisa, ya que en el caso de un sensor Bayer este genera una interpretation de colores conocida. Alternativamente a las camaras con sensor Bayer pueden utilizarse tambien camaras de 3 chips, cuya separation decolores en comparacion es algo mejor. La selection o separation imprecisa de los colores conduce en consecuencia a desviaciones de medicion a la hora de determinar la forma tridimensional del objeto a medir. En el caso de una banda roja proyectada puede producirse tambien una serial verde, mediante una superposicion de las regiones sensibles del sensor Bayer. En el caso de las superficies del objeto, que presenten una elevada dinamica de contraste, esto conduce a una valoracion defectuosa de una banda de color y, de este modo, a la falta de muestreo para unas zonas superficiales que posiblemente deban rectificarse mediante un escaneado multiple bajo determinados angulos de triangulacion.

En “Tecnologla de proyeccion marginal binaria codificada por colores para medicion de formas tridimensionales” (del ingles “Color-coded binary fringe projection technique or 3-D shape measurement”), Optical Engineering, tomo 44, n° 2, pagina 023606 (XP055142979), se propone una triangulacion codificada por colores, en la que se utiliza una camara CCD con filtros de color adaptados para el muestreo. Mediante los filtros de color adaptados puede casi impedirse una mala interpretacion de diferentes colores.

El documento US 2012/229816 A1 describe una triangulacion codificada por colores, en la que una camara prevista para muestrear comprende un filtro de interferencias adaptado, en donde mediante el filtro de interferencias se seleccionan espacialmente diferentes longitudes de onda antes del muestreo.

El objeto de la presente invencion consiste en producir una disposicion para la triangulacion, que haga posible una separacion eficiente de regiones espectrales durante el analisis de una proyeccion de un patron de colores proyectado sobre la superficie de un objeto a medir.

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El objeto es resuelto mediante una disposicion con las caracterlsticas de la reivindicacion independiente. En las reivindicaciones dependientes se exponen unas conformaciones y unos perfeccionamientos ventajosa(o)s de la invencion.

La disposicion conforme a la invencion comprende una unidad de proyector y al menos una camara con un sensor de camara, en donde la unidad de proyector proyecta un patron de colores sobre una superficie de un objeto a medir. La camara se usa para muestrear una proyeccion del patron de colores proyectado sobre la superficie. El sensor de camara es permeable o sensible a la luz en una primera, en al menos una segunda y una tercera region espectral, en donde las regiones espectrales sensibles estan dispuestas segun longitudes de onda ascendentes. Asimismo la disposicion comprende un filtro de color, que es permeable en una primera, al menos una segunda y una tercera region de transmitancia espectral, en donde las regiones de transmitancia espectral individuales del filtro de color estan separadas por parejas. Una longitud de onda de intervalo superior de la primera region de transmitancia espectral esta situada en la primera region espectral sensible del sensor de camara. Unas longitudes de onda de intervalo inferior y superior de la al menos una segunda region de transmitancia espectral estan situadas en una segunda region espectral sensible del sensor de camara, y una longitud de onda de intervalo inferior de la tercera region de transmitancia espectral esta situada en la tercera region espectral sensible del sensor de camara.

El sensor de camara puede presentar un gran numero de segundas regiones espectrales sensibles. Tambien el filtro de color puede presentar un gran numero de segundas regiones de transmitancia. A este respecto las longitudes de onda de intervalo inferior y superior de las segundas regiones de transmitancia estan situadas respectivamente en una de las segundas regiones espectrales del sensor de camara. Son convenientes sensores de camara con cuatro regiones espectrales sensibles, de tal manera que se presenten dos segundas regiones espectrales. Las dos segundas regiones espectrales estan situadas de este modo espectralmente entre la primera y la tercera region espectral del sensor de camara.

En una conformation ventajosa el filtro de color esta aplicado de tal manera, que la luz de color de la proyeccion de la superficie recorra primer el filtro de color y a continuation el sensor de camara, en particular un sensor Bayer.

El filtro de color presenta al menos tres regiones de transmitancia espectral separadas por parejas, que estan situadas ventajosamente en el espectro luminoso verde, azul y rojo. Es ventajoso conformar las regiones de transmitancia espectral en banda estrecha con una elevada pendiente de intervalo.

Por region de transmitancia del filtro de color debe entenderse aquella region espectral, que esta limitada por una longitud de onda de intervalo inferior y una superior. Las longitudes de onda de intervalo superior e inferior son las longitudes de onda, con las que la transmision del filtro de color ha descendido respectivamente hasta la mitad de la transmision maxima. La longitud de onda de intervalo inferior presenta aqul una longitud de onda menor que la longitud de onda de intervalo superior. Normalmente la region de transmitancia del filtro de color recibe tambien el nombre de anchura de valor mitad.

Mediante la position espectral de las longitudes de onda de intervalo de las regiones de transmitancia, con relation a las regiones espectrales sensibles del sensor de camara, puede asociarse ventajosamente un color transmitido de la proyeccion de forma eficiente a una region de transmitancia espectral y de este modo, claramente, a una region espectral sensible del sensor de camara. Es particularmente ventajoso que de este modo pueda impedirse una diafonla de los colores a la hora muestrear con la camara, de tal manera que aumente la precision de medicion as! como la region dinamica. Es conveniente que las regiones de longitud de onda que se solapen en el sensor de camara no se tengan en cuenta a la hora de muestrear mediante la utilization del filtro de color. De este modo pueden separarse por ejemplo bien los colores basicos azul, verde y rojo as! como colores secundarios como el cian, magenta y blanco. En las regiones por fuera de las regiones de transmitancia espectral del filtro de color es conveniente limitar su transmision al menos al 3%. Es particularmente conveniente una limitation de la transmision a menos del o igual al 1%.

La distancia espectral entre longitudes de onda de intervalo opuestas puede ser de al menos 10 nm en una conformacion ventajosa. De este modo se hace posible una elevada eficiencia luminosa. Son particularmente ventajosos 30 nm. De este modo se consigue una buena separation espectral, de tal manera que los colores pueden reconocerse o separarse de forma eficiente.

Una conformacion ventajosa utiliza un filtro de color, cuya primera region de transmitancia espectral esta situada por debajo de 480 nm en la region espectral azul, cuya al menos una segunda region de transmitancia espectral esta situada en la verde entre 520 nm y 565 nm y cuya tercera region de transmitancia espectral esta situada en el espectro luminosos rojo por encima de 600 nm. De este modo la distancia espectral entre longitudes de onda de intervalo opuestas es superior a 30 nm, de tal manera que es posible una asociacion clara del color. Ademas de esto las regiones de transmitancia se encuentran respectivamente dentro de las regiones espectrales sensibles de un sensor de camara normal. Las regiones de transmitancia espectral del filtro de color estan adaptadas de este modo a un sensor de camara normal, en particular a un sensor Bayer normal. Es ventajoso que el filtro de color y el sensor de camara actuen en combination como un sensor de camara optimizado, que presente unas regiones espectrales

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sensibles separadas claramente. Es particularmente ventajoso que las regiones de longitud de onda, que se solapan en un sensor de camara normal, no se tengan en cuenta por ejemplo en una camara de 3 chips. De este modo aumenta la seguridad de reconocimiento de los colores.

Conforme a la invencion la unidad de proyector comprende el filtro de color. De este modo puede tratarse espectralmente la luz procedente de la unidad de proyector antes de su incidencia sobre la superficie de un objeto a medir.

El filtro de color esta aplicado conforme a la invencion en la unidad de proyector entre una fuente luminosa y una transparencia con patron de colores. De esta forma se trata espectralmente la luz de la fuente luminosa ya antes de la transparencia con patron de colores, de tal manera que es posible una asociacion eficiente de los colores mediante el sensor de camara. En una conformacion particularmente ventajosa esta aplicado un segundo filtro de color dentro de la carcasa de la camara, de tal forma que antes de la proyeccion del patron de colores sobre el objeto y antes de la deteccion de la proyeccion con la camara tiene lugar respectivamente un filtrado de los colores. De este modo se evita la influencia de la luz ambiente de color en la seguridad de reconocimiento de los colores.

La fuente luminosa de la unidad de proyector puede estar configurada como fuente luminosa laser con al menos un laser. En una conformacion ventajosa la longitud de onda del laser se encuentra en una region de transmitancia espectral del filtro de color.

De este modo es apoyado el filtro de color en la separacion espectral eficiente de los colores.

La fuente luminosa de la unidad de proyector puede comprender tres fuentes luminosas laser, cuyas longitudes de onda estan situadas en el espectro luminoso azul, verde y rojo. La longitud de onda de la fuente laser azul esta situada ventajosamente dentro de la primera region de transmitancia espectral del filtro de color, longitud de onda de la fuente laser verde dentro de una segunda region de transmitancia espectral y longitud de onda de la fuente laser roja dentro de la tercera region de transmitancia espectral. De este modo es apoyado el filtro de color en la separacion espectral eficiente de los colores.

La unidad de proyector puede estar configurada como proyector DLP. En una conformacion ventajosa una rueda de colores existente en el proyector DLP es sustituida convenientemente por el filtro de color o se integra en una rueda de colores existente. De esta forma se limitan espectralmente los colores utilizados durante la proyeccion, de tal manera que para el analisis de la proyeccion con la camara es posible una asociacion eficiente de los colores.

A continuacion se describe la invencion en base a dos ejemplos de realizacion preferidos, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 aclara las regiones espectrales sensibles de un sensor Bayer y las regiones de transmitancia espectral del filtro de color,

la figura 2 muestra una primera forma de realizacion no conforme a la invencion de la triangulacion codificada por colores, en la que el filtro de color esta aplicado a la carcasa de la camara,

la figura 3 muestra una segunda forma de realizacion de la triangulacion codificada por colores, en la que el filtro de color esta aplicado dentro de la unidad de proyector.

La figura 1 muestra un espectro, que aclara la posicion espectral de una primera, una segunda y una tercera region espectral sensible 12, 14, 16 de un filtro de color 18. Las regiones espectrales sensibles 12, 14, 16 del sensor Bayer 10 se han representado como llnea continua, mientras que las regiones de transmitancia espectral 20, 22, 24 del filtro de color 18 estan representadas como llneas a trazos en forma rectangular. La abscisa 36 indica la longitud de onda en nm. La ordenada 38 indica el grado de transmision del sensor Bayer 10 y del filtro de color 18 en%. En este ejemplo de realizacion la primera region espectral sensible 12 del sensor de Bayer 10 esta situada en el espectro luminoso azul, la segunda region espectral sensible 14 en el espectro luminoso verde y la tercera region espectral sensible 16 en el espectro luminoso rojo. Una primera, segunda y tercera region de transmitancia espectral 20, 22, 24 del filtro de color 18 estan situadas tambien en el espectro luminoso azul, verde y rojo. Conforme a la invencion una longitud de onda de intervalo superior 26 de la primera region de transmitancia espectral 20 esta situada dentro de la primera sensible 12 del sensor Bayer 10. Unas longitudes de onda de intervalo superior e inferior 28, 30 de la segunda region de transmitancia espectral 22 estan situadas dentro de la segunda region espectral sensible 14 del sensor Bayer 10. Una longitud de onda de intervalo 32 de la tercera region de transmitancia espectral 24 esta situada dentro de la tercera region espectral sensible 16 del sensor Bayer 10. Por ejemplo la longitud de onda de intervalo superior 26 de la primera region de transmitancia espectral 20 es aproximadamente de 460 nm. Las longitudes de onda de intervalo inferior y superior 28, 30 de la segunda region de transmitancia espectral 22 son despues de forma preferida aproximadamente de 520 nm, respectivamente 560 nm, y la longitud de onda de intervalo inferior 32 de la tercera region de transmitancia espectral 24 es aproximadamente de 610 nm. De este

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modo las regiones de transmitancia espectral 20, 22, 24 del filtro de color 18 estan separadas y presentan ademas una distancia espectral en este ejemplo de 60 nm y 50 nm. De esta forma, si entra por ejemplo luz a traves del filtro de color 18, despues de esto se garantiza una seguridad de reconocimiento eficiente del color. Ademas de esto puede asociarse a los colores transmitidos mediante el filtro de color 18, claramente, una region espectral sensible 12, 14, 16 del sensor Bayer 10. En particular el filtro de color 18 esta adaptado en este sentido al sensor Bayer 10.

La figura 2 muestra una primera disposicion 1 no conforme a la invencion para la triangulacion codificada por colores de un objeto a medir. La disposicion comprende una unidad de proyector 4 con una fuente luminosa 34 y una transparencia 6. La fuente luminosa 34 es por ejemplo una lampara de luz blanca y contiene de este modo todos los colores del espectro luminoso. En particular azul, verde y rojo, que se presentan de forma preferida en los mismos porcentajes. La transparencia 6 presenta un patron de colores, que se compone de forma preferida de bandas de colores azules, verdes y rojas. Asimismo la disposicion 1 comprende una camara 8 con un sensor de camara 10, en particular con un sensor Bayer. El filtro de color 18 esta aplicado por ejemplo dentro de la carcasa de camara y esta situado con relacion a una segunda direccion de haz 42 delante del sensor de camara 10. La unidad de proyector 4 proyecta las bandas de color producidas mediante la transparencia 6 sobre la superficie del objeto 2 a medir. La luz dispersada de la proyeccion de la superficie del objeto, dispersada a lo largo de una segunda direccion de haz 42, es fotografiada por la camara 8, despues de que haya recorrido el filtro de color 18 y haya incidido sobre el sensor de camara 10. De este modo la luz de la proyeccion de la superficie del objeto se divide en tres regiones espectrales claramente asociables antes de ser fotografiada por la camara 8, en donde estas regiones espectrales asociadas se corresponden con las regiones de transmitancia espectral 20, 22, 24 del filtro de color 18.

La figura 3 muestra una segunda disposicion 1 para la triangulacion codificada por colores de un objeto 2 a medir. La figura 2 contiene los mismos elementos que la figura 3, que poseen los mismos slmbolos de referencia. Alternativamente a la figura 2, en la figura 3 el filtro de color 18 esta aplicado dentro de la unidad de proyector 4 entre la fuente luminosa 34 y la transparencia 6. El filtro de color 18 esta situado de este modo, con relacion a una primera direccion de haz 40, delante de la fuente luminosa 18 y detras de la transparencia 6. De este modo se trata espectralmente la luz, que sale de la fuente luminosa 34 a lo largo de la primera direccion de haz 40, conforme a las regiones de transmitancia espectral 20, 22, 24 del filtro de color 18, ya antes de la proyeccion de las bandas de color.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Disposicion (1) para la triangulacion codificada por colores de un objeto (2) a medir, que comprende una unidad de proyector (4) para proyectar un patron de colores sobre una superficie de objeto del objeto (2) a medir, al menos una camara (8) con un sensor de camara (10), para muestrear una proyeccion del patron de colores proyectado sobre la superficie, en donde el sensor de camara (10) es sensible a la luz en una primera, en al menos una segunda y una tercera region espectral (12, 14, 16), en donde las regiones espectrales sensibles (12, 14, 16) estan dispuestas segun longitudes de onda ascendentes, en donde la disposicion (1) comprende al menos un filtro de color (18) que presenta una primera, al menos una segunda y una tercera region de transmitancia espectral (20, 22, 24), en donde las regiones de transmitancia espectral (20, 22, 24) estan separadas por parejas, en donde una longitud de onda de intervalo superior de la primera region de transmitancia (26) esta situada dentro de la primera region espectral sensible (12) del sensor de camara (10), unas longitudes de onda de intervalo inferior y superior de la al menos una segunda region de transmitancia (28, 30) estan situadas dentro de la al menos una segunda region espectral sensible (14), y una longitud de onda de intervalo inferior de la tercera region de transmitancia (32) esta situada dentro de la tercera region espectral sensible (16) del sensor de camara (10), caracterizada porque la unidad de proyector (4) comprende una fuente luminosa (34 ), una transparencia (6) y el filtro de color (18), que esta aplicado dentro de la unidad de proyector (4) entre la fuente luminosa (34) y la transparencia (6).
2. Disposicion (1) segun la reivindicacion 1, caracterizada porque la distancia espectral entre longitudes de onda de intervalo opuestas (26, 28, 30, 32) es de al menos 10 nm, en particular 30 nm.
3. Disposicion (1) segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizada porque la primera region de transmitancia espectral (20) del filtro de color (18) esta situada por debajo de 480 nm, al menos una segunda region de transmitancia espectral (22) del filtro de color (18) esta situada dentro de la region espectral de 520 nm a 565 nm y la tercera region de transmitancia espectral (24) del filtro de color (18) esta situada por encima de 600 nm.
4. Disposicion (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la camara (8) comprende un segundo filtro de color.
5. Disposicion (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la fuente luminosa (34) de la unidad de proyector (4) esta configurada como una fuente luminosa laser y comprende al menos un laser.
6. Disposicion (1) segun la reivindicacion 5 y una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la fuente luminosa (34) de la unidad de proyector (4) comprende tres fuentes luminosas laser, cuyas longitudes de onda estan situadas en el espectro luminoso verde, azul y rojo.