[发明专利]用于三维轮廓测量的系统和方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及测量装置,特别涉及通过使用独特的结构光迅速测量物体三维（3D）轮廓的非接触测量装置。

【背景技术】

三维（3D）测量技术被广泛用于各个领域以测量3D物体的表面坐标。有各种方法用来测量不同物体的3D轮廓。如三坐标测量仪（CMM）是一个用来测量物体的物理几何特性的3D装置。激光点/线扫描仪是另一种3D测量装置。但是，这些3D测量装置的尺寸通常很大，所以不适合用于测量移动物体。

另一种方法是应用计算机视觉/图像处理技术来解决此问题。在被称为“结构光技术”的方法里，结构光条纹被投影到物体上，在附近放置相机或光感应装置以摄取结构光条纹在其被物体反射后的图像。摄取的二维（2D）图像是一个变形版本的原始结构光条纹。条纹的变形是由物体的3D表面引起。当已知光源和相机位置的坐标时，根据该结构光条纹的2D变形，能够容易计算出3D物体的表面坐标。

早期系统使用的一种结构光，包括黑白交替的条纹。为了达到高分辨率，每个黑色或白色条纹的宽度必须很小，这意味着在结构光里有许多黑色和白色的条纹。但是，由于光学处理时边缘检测的缺陷、3D物体表面的潜在高曲率、以及其它系统噪声，系统不可能可靠地检测反射2D图像的黑白线。实际上，可能会忽视一些边缘点，并且其它边缘点可能被错误地分配到错误的边缘线。这种误连接在3D测量时会导致严重误差。解决此问题的一种方法是将一系列黑白条纹结构光投影到图1所示的物体上。第一结构光2仅有一个白色和一个黑色条纹。然后逐步地，越来越多的白色和黑色条纹被按顺序地投影结构光4。这种方法的缺点是需要多个步骤以进行图像投影、摄取以及分析，因此处理非常耗时。

另一种方法是使用彩色条纹结构光。这样能够减轻上述的边缘线连接问题。但是，摄取图像的彩色条纹不仅取决于将被投影到物体上的彩色条纹结构光，而且取决于3D物体表面的颜色。例如，如果在3D物体的表面某处有一个宽的红色色块，将很难检测到照在该色块上的红色条纹的边缘线边界。因此，需要开发一个新的结构构光图案以及其相关的检测方法来提供快速可靠的3D表面测量。

【发明概述】

根据前述的发明背景，本发明的目的是提供一种用于3D表面测量的替代方法。其包括一种新颖的彩色结构光设计方法以及相关的检测算法。

因此，本发明的一个方面是提供一种组成一个增强彩色序列的方法，以便投影到物体上以测量物体的三维轮廓。本方法包括的步骤有：（a）通过将至少一种彩色条纹连接在一起，产生至少一个独特元（distinctive tuple），每个独特元相互不同；（b）根据一个预设规则，通过使用至少一个独特元，形成一个彩色条纹序列；（c）选择两个高对比度彩色条纹，其对至少一个独特元的每个彩色条纹有相当高的颜色对比度；（d）在每个独特元的每一侧插入两个高对比度彩色条纹中的一个高对比度彩色条纹，其被选择是因为其对每个元的对应终端上的彩色条纹有最大的颜色梯度（color gradient）；（e）识别多个重复位置,两个连续的相同高对比度彩色条纹的中间；（f）再从两个高对比度条纹中选择一个不同于两个连续相同高对比度彩色条纹的高对比度彩色条纹插入到多个重复位置以形成一个增强彩色序列。在一个实施例里，本方法还包括提供唯一第一寻址代码（addressing code）给彩色条纹序列上的每个独特元，并根据唯一第一寻址代码提供唯一第二寻址代码给增强彩色序列上的每个高对比度彩色条纹。在另一个实施例里，预设规则是De Brujin序列。

在另一个实施例里，至少一个彩色条纹是从彩色条纹池选出来的，来自条纹池的每个彩色条纹具有不同的色谱（color spectrum），但不包括两个高对比度条纹的颜色。两个高对比度彩色条纹分别是白色条纹和黑色条纹。

本发明的另一个方面是提供一种方法，通过使用上述的增强彩色条纹测量物体的三维轮廓。本方法包括的步骤有：（a）通过一个结构光产生单元产生一个增强彩色条纹；（b）通过一个投影单元发射增强彩色条纹到物体上；（c）通过一个感应单元摄取由物体反射的增强彩色条纹的至少一个图案；和（d）通过一个处理单元根据至少一个图案确定物体的三维轮廓。

在另一个实施例里，用来测量物体的3D轮廓的方法的确定步骤包括以下步骤：（a）通过一个边缘检测单元，根据至少一个图像的颜色转变，识别至少一个图像里的边缘；（b）将边缘跟增强彩色序列的对应边缘进行比较，并通过一个分析单元确定两者之间的深度偏差；和（c）通过一个测量单元，根据深度偏差测量物体的三维轮廓。