用于移動(dòng)式圖案投影的設(shè)備及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于按照有效三角測(cè)量原理拍攝具有表面的測(cè)量對(duì)象的三維圖像的設(shè)備和應(yīng)用，所述設(shè)備帶有投影裝置，用以從第一視角將光圖案投影在測(cè)量對(duì)象上；至少一個(gè)從至少一個(gè)其它視角與該投影裝置同步拍攝的攝像裝置，用以與光圖案一起同步拍攝測(cè)量對(duì)象；和計(jì)算裝置，用以借助于該同步拍攝計(jì)算對(duì)該對(duì)象表面成像的空間坐標(biāo)。
【背景技術(shù)】
[0002]DE 41 15 445 Al公開(kāi)了一種用于按照有效三角測(cè)量原理拍攝對(duì)象的三維圖像的方法，借助于具有圖像儲(chǔ)存裝置的視頻攝像機(jī)，和具有光學(xué)裝置和編碼器和儲(chǔ)存裝置的激光投影儀，該激光投影儀以預(yù)先給定的頻率以光截平面形式把用于標(biāo)記對(duì)象的代碼投影在對(duì)象上，其中該投影儀與在拍攝對(duì)象時(shí)拍攝對(duì)象標(biāo)記的視頻攝像機(jī)同步。
[0003]US 2002/0162886 Al公開(kāi)了一種用于三維掃描的系統(tǒng)，帶有用于三維掃描的設(shè)備，該設(shè)備可手動(dòng)操作并且具有帶有光束投影儀、物鏡和光探測(cè)器的輪廓儀。
[0004]有效三角測(cè)量方法被日益廣泛地用于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作的移動(dòng)式3D測(cè)量裝置。常規(guī)地圖像照片被傳輸?shù)酵獠繑?shù)據(jù)處理單元并通過(guò)它轉(zhuǎn)換為3D數(shù)據(jù)組。同樣已知用靜止攝像機(jī)和手動(dòng)操作的圖案投影裝置工作的設(shè)備。
[0005]常規(guī)的解決方案與相對(duì)較高的成本相關(guān)聯(lián)。常規(guī)的實(shí)施方案占用空間大、笨重和接線復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的任務(wù)是提供用于簡(jiǎn)單、成本低廉、緊湊和移動(dòng)式地檢測(cè)對(duì)測(cè)量對(duì)象的表面成像的空間坐標(biāo)的設(shè)備和方法。
[0007]該任務(wù)用按照獨(dú)立權(quán)項(xiàng)的設(shè)備解決。
[0008]按照第一方面，對(duì)用于按照有效三角測(cè)量原理拍攝具有表面的測(cè)量對(duì)象的三維圖像的設(shè)備提出專(zhuān)利要求，該設(shè)備帶有下列組件。用于從第一視角將光圖案投影在該測(cè)量對(duì)象上的投影裝置。至少一個(gè)從至少一個(gè)其它視角與投影裝置同步拍攝的攝像裝置，用以與光圖案一起同步拍攝測(cè)量對(duì)象。用于借助于同步拍攝計(jì)算對(duì)該對(duì)象表面成像的空間坐標(biāo)的計(jì)算裝置。該設(shè)備的特征在于，它借助于除提供三維圖像以外還提供附加功能的移動(dòng)式計(jì)算設(shè)備實(shí)現(xiàn)。
[0009]對(duì)將便攜式小型計(jì)算機(jī)附帶地用作按照有效三角測(cè)量方法的三維光學(xué)測(cè)量裝置的設(shè)備和方法提出專(zhuān)利要求。
[0010]其他有利的設(shè)計(jì)方案與從屬權(quán)項(xiàng)結(jié)合地被提出專(zhuān)利要求。
[0011]按照一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案，該除了三維圖像拍攝以外還提供附加功能的移動(dòng)式計(jì)算設(shè)備可以是手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理、平板式個(gè)人計(jì)算機(jī)或音樂(lè)播放器。所有這種類(lèi)型的計(jì)算設(shè)備原則上包括所有常規(guī)的小型計(jì)算機(jī)。例如，同樣包括所謂的“智能電話”。
[0012]按照另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案，該攝像裝置和該計(jì)算裝置可以是移動(dòng)式計(jì)算設(shè)備的攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)。
[0013]按照另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案，該投影裝置可以從外部固定在移動(dòng)式計(jì)算設(shè)備上。
[0014]按照另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案，投影裝置在集成于移動(dòng)式計(jì)算設(shè)備中的閃光燈裝置前面沿著該閃光燈裝置的光軸具有形成光束的光學(xué)裝置和使該光束成像在該測(cè)量對(duì)象上的光學(xué)裝置。
[0015]按照另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案，該投影裝置可以具有自己的照明裝置、形成光束的光學(xué)裝置和使該光束成像在測(cè)量對(duì)象上的光學(xué)裝置。
[0016]按照另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案，投影裝置可以完全集成在該移動(dòng)式計(jì)算設(shè)備中。
[0017]按照另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案，該形成光束的光學(xué)裝置可以是被均勻照明的圖案透明正片。
[0018]按照另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案，該投影裝置可以由該計(jì)算設(shè)備提供電功率。
[0019]按照另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案，該計(jì)算設(shè)備可以是除三維圖像拍攝外還提供附加功能的便攜式小型計(jì)算機(jī)。這樣的附加功能例如可以使通信、音樂(lè)或任何其他應(yīng)用成為可能。
[0020]按照另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案，按照本發(fā)明的設(shè)備例如可以用于測(cè)量對(duì)象的無(wú)破損檢驗(yàn)、逆向工程或娛樂(lè)電子學(xué)。
【附圖說(shuō)明】
[0021]借助實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)地描述。附圖中:
[0022]圖1表不一種方法的常規(guī)實(shí)施例；
[0023]圖2a至2e表示按照本發(fā)明的設(shè)備的第一實(shí)施例；
[0024]圖3a至3d表示按照本發(fā)明的設(shè)備的第二實(shí)施例；
[0025]圖4表不按照本發(fā)明的設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施例；
[0026]圖5a至5f表示測(cè)量圖案的實(shí)施例；
[0027]圖6表不按照本發(fā)明的設(shè)備的不同應(yīng)用。
【具體實(shí)施方式】
[0028]有效三角測(cè)量的常規(guī)方法使用用于投影光圖案的投影裝置1，例如，該光圖案可以借助于條紋索引i表征。光圖案可以例如作為激光線條、條紋圖案或顏色圖案產(chǎn)生。圖1a表示作為光圖案3的條紋圖案。圖1a表示投影在測(cè)量對(duì)象5上的經(jīng)顏色編碼的測(cè)量圖案的黑白圖示。附加地用一個(gè)或多個(gè)攝像機(jī)7從另一個(gè)視角對(duì)光圖案3進(jìn)行同步拍攝。若能在攝像機(jī)圖像上識(shí)別投影在測(cè)量對(duì)象5上的圖案3，就是說(shuō)，被分配給其在圖案投影器I上的原點(diǎn)，則計(jì)算裝置9便可以根據(jù)攝像機(jī)7和投影儀I這兩條視線算出代表測(cè)量對(duì)象5表面的空間坐標(biāo)。圖1a表示投影裝置I和攝像裝置7之間用附圖標(biāo)記B標(biāo)示的所要求的三角基線。圖1b表示作為測(cè)量對(duì)象5的示例的人的面容的由多次測(cè)量組成的3D模型的實(shí)施例。
[0029]圖2a至2e表示按照本發(fā)明設(shè)備的第一實(shí)施例。按照該實(shí)施例，投影裝置I從外面固定在移動(dòng)式計(jì)算設(shè)備11上。按照這個(gè)實(shí)施例，除三維圖像拍攝外還提供其他功能的移動(dòng)式計(jì)算設(shè)備11是手機(jī)，尤其是所謂的智能電話。圖2a表示提供附加功能的移動(dòng)式計(jì)算設(shè)備11的正視圖。這樣的計(jì)算設(shè)備原則上可以是使任何功能成為可能的小型計(jì)算機(jī)。圖2b和2c分別表示計(jì)算設(shè)備11背面的視圖。圖2b在右側(cè)表示集成在計(jì)算設(shè)備11中的攝像裝置7，而此外，在左側(cè)表示已經(jīng)集成在計(jì)算設(shè)備11中的閃光燈裝置13。常規(guī)地閃光燈裝置13用來(lái)給測(cè)量對(duì)象5照明。圖2c表示從外面固定在移動(dòng)式計(jì)算設(shè)備11上的投影裝置1投影裝置I利用攝像機(jī)閃光燈，使得該投影裝置可以稱(chēng)為閃光投影儀附件。按照?qǐng)D2c投影裝置I被布置在集成于移動(dòng)式計(jì)算設(shè)備11中的閃光燈裝置13前面，并且優(yōu)選固定于該處。圖2d表示圖2c從上面看的視圖。移動(dòng)式計(jì)算設(shè)備11將攝像裝置7和閃光燈裝置13用來(lái)實(shí)施三維圖像拍攝。在集成在移動(dòng)式計(jì)算設(shè)備11中的閃光燈裝置13前面布置投影裝置I。投影裝置I沿著閃光燈裝置13的光軸具有形成光束的光學(xué)裝置，和使該光束在測(cè)量對(duì)象5上成像的光學(xué)裝置。圖2d表示投影在平面測(cè)量對(duì)象5上的光圖案3。角度Φ代表光圖案光束和攝像裝置7的視線光束之間的夾角。另外，附圖標(biāo)記B標(biāo)示三角測(cè)量基線。圖2e在使用原來(lái)就已經(jīng)集成在移動(dòng)式計(jì)算設(shè)備11中的閃光燈裝置13的情況下再次表示圖2a的正視圖，附帶地帶有作為示例的所投影的光圖案3，并顯示攝像裝置7和投影裝置I的結(jié)合。圖2a至2e表示按照本發(fā)明的第一實(shí)施例，用于利用廠方集成的閃光燈以便在有效三角測(cè)量的意義上來(lái)投影測(cè)量圖案。圖2a表示作為示例的采取個(gè)人數(shù)字助理(PDA)或智能電話形式的便攜式小型計(jì)算機(jī)。圖2b表示規(guī)模日益增大的廠方集成的攝像裝置7和照相閃光燈照明裝置13的結(jié)合。圖2c表示用于借助于集成的閃光燈裝置13投影測(cè)量光圖案3的投影裝置I的一個(gè)可能的實(shí)施方案。圖2d作為示例表示反射在待測(cè)對(duì)象5的表面上并由集成攝像裝置7拍攝的所投影的測(cè)量光圖案3。光圖案3被設(shè)計(jì)為，使得圖像拍攝之后可以在多個(gè)攝像機(jī)像點(diǎn)(象素)和測(cè)量圖案中的多個(gè)條紋或點(diǎn)之間形成對(duì)應(yīng)關(guān)系。攝像裝置7和投影裝置I各自相應(yīng)的兩條視線的幾何交點(diǎn)，導(dǎo)致取得三維坐標(biāo)系中的一個(gè)表面點(diǎn)。這相當(dāng)于常規(guī)的有效三角測(cè)量方法。大量的幾何交點(diǎn)導(dǎo)致測(cè)量對(duì)象5的待測(cè)表面的近似的3D圖示。圖2e表示從另一個(gè)視角的圖2d的圖示。
[0030]圖2a至2e表示現(xiàn)代便攜式小型計(jì)算機(jī)的按照本發(fā)明的實(shí)施例。智能電話、個(gè)人數(shù)字助理或平板式計(jì)算機(jī)日益頻繁地?fù)碛袕S方集成的攝像裝置7。新型設(shè)備附帶地具有集成的照相閃光燈照明裝置13。這個(gè)閃光燈裝置13在結(jié)構(gòu)化的照明和三角測(cè)量的意義上可以用作用于圖案投影的光源。為此使用形成光束的裝置，該裝置使用相應(yīng)的被均勻照明的圖案透明正片。原則上可以使用相應(yīng)的圖案模板。被透射的透明正片或被透射的模板再次借助于成像光學(xué)裝置被投影在待測(cè)的對(duì)象5上。光學(xué)裝置的形成光束的以及成像的部分可以集成在一個(gè)共同的投影裝置I中，這些部分沿著閃光燈裝置13的光軸安裝。集成的攝像裝置7與投影裝置I結(jié)合，使利用提供附加功能的移動(dòng)式計(jì)算設(shè)備11附帶地作為三維測(cè)量?jī)x成為可能。這樣的3D檢測(cè)裝置例如可以用于無(wú)破損檢驗(yàn)技術(shù)，用以檢驗(yàn)測(cè)量對(duì)象5。
[0031]圖2a至2e呈現(xiàn)一個(gè)實(shí)施方式，其利用原來(lái)用于照片拍攝的閃光燈裝置13發(fā)出的光，