[发明专利]具有自行校准的便携式成像测量的方法及装置

说明书

关于联邦政府投资研究的声明

本发明是在美国政府支持的由美国能源部(DOE)科学办公室(SBIR)资助的DE-SC-0003254项目“Recovery Act-Imaging-based Optical Caliper for Objects in Hot Manufacturing Processes”下做出的。美国政府对本发明拥有某些权利。

相关申请的交叉引用

本申请案主张2009年9月30日提交的美国临时申请第61/247,010号的权利，该案的全部揭示内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明大体而言有关以成像为基础的尺寸测量。具体言之，有关以成像为基础的，且具有内建式自行校准、用于对象的关键尺寸的测量的便携式器具。

背景技术

以成像为基础的测量被广泛使用。人们可找到基于三角测量、干涉测量或二维投影的成像测量系统。然而，这些器具需要良好的对准与关键的校准程序，且通常对照明条件敏感。这些要求限制了以便携形式使用成像测量仪器。

然而，对于特定应用，价格合理且方便携带的非接触式尺寸测量器具是受期待的。举例而言，在钢厂轧机中，轧辊闭口(两个轧辊之间的间隙)为与成品的质量相关的关键参数。尽管固定位置的尺寸测量仪器常用于轧钢厂，但这些仪器过于昂贵，以至于不能在每一架轧机之后安装。因此，这些仪器通常在最后一架轧机之后的轧钢成品处安装。然而，有需要周期性地在每一架轧机之后验证尺寸，例如，在轧机更新设定之后或在预定周期(比如，每30分钟)的时间点上。进行此测量所涉及的困难在于待测对象不仅极热(通常在700℃至1,250℃的范围内)且也在运动状态。实际上不可能让待测对象停止运动，因为持续不动的接触可造成轧辊损坏。目前，对移动中的热对象进行测量有两个方法。第一方法为用手持型测径规，在例如粗轧机之后的位置，对速度相对较低的对象进行测量。在此作业中，操作者必须使测径规接触移动中的热对象以获得测量值。可以想见，此方法稍具危险性，且可能不准确。另一方法涉及使用一片特别处理后的木片，来在例如中轧机之后的位置，对移动速度相对较快的对象进行测量。固持木片抵靠在移动中的热对象上，从而让热对象将该木片的一部分烧毁成对象的形状。工人接着测量木片烧毁部分以获得对象的尺寸。便携式非接触尺寸测量器具在此应用中将具有使用价值。

此外，已知存在有手持型光学仪器(诸如，测距仪)用于测量至物件的距离；然而，此仪器在想要取得对象尺寸时不起作用。另外，在本技术领域中已知存在有LIDAR(光检测及测距)系统，该系统能够使用激光光束扫描地形资料，但此系统昂贵且不具便携性。

提供以二维(2D)投影为基础的便携式测量器具的挑战之一在于影像中受测对象的投影大小受设置及/或配置(也称为成像传感器(通常为相机)与待测对象间的空间关系)的影响极大。因此，此测量器具的便携性造成无法预先知道对象与测量器具间的空间关系。

提供便携式测量器具的另一挑战在于：在需要进行测量时的时间及位置上，其照明条件及设置有未知性。特别是，本领域普通技术人员均知，影像的质量对自该影像提取的信息具有极大的影响，以此处目的而言，对测量结果有极大的影响。举例而言，不期望让待测量的对象的任何部分过于明亮，而导致使成像系统饱和(即该影像亮度超过极限)。此饱和效应将使用于界定对象边界以导出尺寸的边界检测算法失效。此外，这种饱和可导致溢出效应，即过量的光子满溢到邻近的影像像素(即，以常用的成像技术而言)。这可造成影像中对象膨胀，从而导致错误测量。也不期望使对象过暗，因为成像传感器会因所谓的暗电流效应而有非线性反应。暗电流效应是由长波长光子穿透成像传感器基板而产生的。当亮度低时(例如，小于全标度的15％)，暗电流效应可使影像，特别是对象边界部分，失真。相较于便携式器具，固定安装的典型成像系统可享有固定且控制良好的照明环境，确保适当曝光及工作范围。然而，如前所述，这样的结果对于便携式器具几乎是不可能的，因为无法预先知道照明条件及设置。即使配备有自动电子快门、光圈及闪光灯的现代数码相机也不能够完全解决一些极端状况，例如，对1,000℃的钢棒成像。

因此，有这个需要与价值去设计能够便携式地使用，且能够以二维投影为基础来测量对象尺寸的测量器具，以消除或最小化一个或数个前述的问题或缺点。

发明内容