[发明专利]能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器

说明书

本发明提供能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，包括：一台投影仪，将含有大量光线的光线图案投影到被测物体表面；至少两台相机，能在同一时刻采集一张照亮的物体的图像，图像被控制处理单元进一步的处理，投影仪的光轴与相机的光轴在不同方向上构成了三角测量的角度，其中投影的光线可以由多个方向，多个相机和投影仪按照投影仪投影的光线的方向，构成多组三角测量传感器，所述多组三角测量传感器通过控制处理单元和投影的光线图案耦合起来。本专利的光学三维传感器能够用单次成像方法获得高时间分辨率和致密的三维物体表面形状，原则上可以以相机的速率来获得被检测物体的三维数据，从而真正实现三维相机功能。

本发明申请要求申请号为10 2016 002 398.8，申请日为2016年2月26日的德国专利申请的优先权，该项在先申请公开的全部技术内容纳入此处作为参考。

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器。

背景技术

本专利的发明人致力于实现真正的3D相机，而目前绝大部分获得被检测物体的三维数据的方法一般都需要在不同的时间获取一系列的图像才能够获得高精度的物体三维的表面形状。因此无法实现3D相机功能。

几乎所有已知的高品质的致密的三维测量方法一般都需要在不同的时间得到一系列的图像，以便获得高精度的三维测量数据。这些方法需要在不同的时间获得一系列图像的数量N一般在3至约30之间。假定获取这N张图像所需要的时间是T，那么被测物体和传感器本身在T时间内不能有相对的移动，而且被测物体本身在T时间内也不能变形。因此，这些三维测量的方法无法对于在运动的人或在做碰撞测试的车进行三维高速测量。还有一个更为重要的因素是因为这些高品质的三维测量方法一般需要将随时间变化的光线，如正弦条或随机的光线图案投射到物体表面。虽然，随着科技的进步，相机的拍摄速度越来越快，但是用来投影随时间变化的光线的投影机的速度并没有跟上相机速度的发展。因此，这些方法近年来的发展主要受到用来投影随时间变化的光线的投影机的速度的限制。投影机的速度不够快同时投影出去的光线不够亮，成为这些方法发展的主要制约因素。如果有一种方法，能够使用a)不随时间变化的光线，b)而且能够以相机的拍摄速度来采集物体的三维数据，将会十分有益。

有一个已知的方法，即光线切割法，是不需要在不同的时间里来采集一系列图像的。在最简单的情况下，一条光线被投影到被检测物体的表面，然后通过简单的三角测量法即可得到被这一条光线照射到的物体的表面形状。但是，如果每次只能用一条光线投影到检测物体的表面来做测量，而每次被一条光线照射到的物体的表面面积十分有限，测量一个物体需要投影很多次单条光线，才能完成整个物体的测量，这样就需要很长的测量时间。为了增加数据采集的密度以便缩短测量时间，人们可以在每个时刻向被测物体同时投射多条光线。但是，在投射多条光线时，会产生所谓的一一对应问题，即人们必须准确知道哪些图像上的数据是和哪一条光线所对应的。而这个即使在使用不多的光线时就已经难以保证对应的唯一性了。

为了解决这个问题，美国专利US2010/0303341 A1中描述了一种所谓的“飞行三角测量法”。它每次只在物体表面很稀疏地投影几条光线，以便确保相机采集到的这几条光线均能实现和采集数据的一一对应。相机可以围绕被测量物体做自由的移动，以便在这个被测量物体的多个空间方向和多个空间位置上采集到很多次投影了几条光线的数据。假定被测量物体在图像采集过程中是刚性不变的，此方法就可以把这些多个空间方向和多个空间位置上采集到的数据加以合并，以获得被测量物体的表面的致密的采样。由于相机围绕被测量物体做自由的移动，就好像相机在围绕这个被测量物体做自由飞行，因此此方法命名为“飞行三角测量法”。美国专利US8140295 B2中也描述了一种类似的方法。

还有一些方法，也能够增加每次投影的光线的数量，以实现更加致密的采样和减少数据采集时间。这些方法通常是基于对投影的光线的编码。例如，投影的光线可以通过不同的颜色来进行编码和解码。