用于在运行中的面上非接触式地测定产品的位置和三维形状的方法及扫描器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于测定三维形状的光学检测方法。
【背景技术】
[0002]在许多工业领域，特别是包装技术领域中都存在这样的难题:在运行中的面(如输送带)上，必须对不规则分布的产品的位置及高度进行检测，此外就俯视图视之非圆形的产品而言还必须检测其旋转位置，就俯视图视之非旋转对称的产品而言还必须检测其几何形状或表面特征。因此，沿输送带的走向布置的机械手(即所谓“抓取装置”)可以准确地抓取这些产品、将其提起，并且例如将其准确地放入盒子。
[0003]迄今为止，通过呈行状地横越该面的宽度运行的入射光行扫描器来实现这一点，该入射光行扫描器远心地，即以垂直指向该面的方式摄制线形的照片，这些照片由分析单元以将该面的运行速度考虑在内的方式一个接一个地排列成该面的连贯图像，具体方式是:识别出色彩不同于该面的产品，从而识别出这些产品及其位置。不过当采用此方案时，输送带脏污可能会导致产品与面的对比度不足以实现对产品的准确定位。
[0004]无法用上述方法来测定高度，即对象的厚度。且当产品的表面存在光学方面的问题(发光、产生镜面反射、与底面的色彩对比度较小)时，这种光学检测本身有时不足以用于确定位置。特别是在反射表面(例如铝膜或金属表面)进行定向反射时，上述方法不足以实现测定。
[0005]这一点尤指以下情形:扁平的产品(例如饼干)或长条形杆状产品有可能局部重叠地出现于该面上:
[0006]尽管视条件可以根据轮廓识别出此处不是一个对象，而是以局部重叠的方式放置有两个对象，但不能总是识别出这两个对象中哪一个在下方以及哪一个在上方，且无法识别其高度。
[0007]但后续的抓取装置需要这些信息，以便用多个抓取装置从最上方的产品开始将这种叠垛或成堆的产品依次分离。
[0008]当然也已经公开有用于测定位于运行中的条带上的产品的三维形状的方法:
[0009]-采用“立体复制”时，使用两个相机从不同的视角来摄制场景的照片。再尝试在这两个照片中找出相互交叠的、经织构化的亮度分布部分，并定义所属区域。若将这些区域交叠(交叉相关)，则根据进行交叠所需的移动来确定这些区域的高度，但是仅针对存在织构的区域。所有其他区域的高度仍保持为未定义。
[0010]-采用“条纹投影”时，射出预设的条纹图形，并以另一视角对其进行翻拍。据此，借助三角测量便能在该条纹图形中测定空间中每个点的位置。
[0011]但是，该图形的重复式结构使得其意义不明确。但为了同时实现较大的高度范围和较小的支持点密度(分辨率)，通常必须将多个图形一个接一个地投射至场景上并对其进行扫描。
[0012]因此，该方法不适用于在此期间运动的场景。
[0013]此外，该方法需要尽可能暗的环境，但此时仍然可能无法总是将条纹中的假想边缘与真实的对象边缘区分开。
[0014]-采用“从明暗恢复形状(Shapefrom Shading) ”时,使用不同的照明设备从不同的方向照射对象，并可以借助复杂的算术方法根据所形成的明暗阴影计算出场景的高度。
[0015]几乎无法用这个方法来检测以剧烈起伏及精细的方式构型的表面，以及具有较差的光学属性(例如反射)的表面。
[0016]即便可用，该方法因其复杂度较高而迄今为止难以应用于工业领域，而更多地是应用于科研，例如天文学领域。
【发明内容】
[0017]因此，本发明的目的是，提供一种在运行的面上测定产品的位置和三维形状的方法，以及一种适用于该方法的装置。
[0018]本发明用以达成上述目的的解决方案为权利要求1和权利要求19的特征。有利实施方式由从属权利要求给出。
[0019]在所述方法方面，本发明用以达成上述目的的解决方案是，按以下方式在所述配备有产品的面的表面上测定尽可能多的点的坐标:
[0020]沿X向，即所述面与所述扫描器之间的相对运动的方向，所述位置是已知的，因为在这个位置上，所述行扫描相机相对所述面的位置是已知的，具体获知方式例如为:所述行扫描相机安装在所述面上方的某一已知且固定的X向位置上，所有行扫描相机优选安装于相同的X向位置上。
[0021]沿Y向，即所述面上的横向于所述纵向的方向，根据至少局部沿Y向具唯一编码的，并沿预设的方向在预设的位置射出的图形来确定所述位置，例如借助行扫描相机沿着沿Z向在所述面上延伸的扫描线来摄制该图形:当所述图形的光学标记的边缘被射出到高度定义为零的所述面上时，这些边缘的位置，特别是每个光学标记的每个边缘的位置是已知的。这些位置是所述边缘的Y向额定位置。
[0022]而若所述标记的边缘出现在产品上，因而高度大于零，那么所述边缘的实际位置与Y向额定位置存在偏差，将该实际位置保存作为Y向实际位置。
[0023]根据Y向额定位置与实际位置的偏差来确定该点的Z向高度，依据三角原理，可以根据所述相机的已知Y向位置、所述相机的Z向高度、以及所述相机相对所述具唯一编码的边缘中任一个的已知视角来确定该Z向高度。
[0024]这样一来，光学标记的边缘与所述扫描线的每个交点的所有三个空间坐标X、Y、Z均为已知的。
[0025]这样便能沿扫描线先创建高度特性曲线。通过将所述扫描线上的每个摄制分配给相对运动期间的某一时间点，便能沿所述运动的面将某一沿纵向(X向)的位置分配给所述摄制，以及，可以根据各扫描线高度特性曲线来创建连同置于其上的产品在内的整个面的三维高度特性曲线。
[0026]从该三维高度特性曲线不仅能看出该面上的产品所处的地点和位置和(视情况)旋转位置，还能看出两个或多个产品是以何种方式及布局完全或局部重叠放置，以及采用何种特殊布局。
[0027]将以一定的间距布置，优选相互平行布置的条纹用作光学标记时，分析已经特别简单。特别是，在此情形下还可以以与所述条纹本身相同的方式，就数目、布局、顺序、宽度这些方面将所述条纹之间的间隙用于光学应用。
[0028]因此，所述方法的分辨率与所出现的条纹或间隙的最大宽度有关。
[0029]所述扫描线优选垂直于所述条纹的延伸方向延伸，所述条纹的延伸方向优选与所述纵向以及与所述面的运动方向一致，以免将分析复杂化。
[0030]出于同一原因，所述相机朝向所述面时的观察方向也垂直于所述面。
[0031]所述以光学方式射出的图形至少局部具唯一编码。亦即，所述整个图形要么仅由一个图形不发生重复的区段构成，要么由多个一个接一个地排列的这种区段构成，其中，优选地，所述图形的从一个区段到下一个区段的过渡部分也必须存在与所述区段的其中一个内的任何位置均不相同的编码。
[0032]在此情形下存在一最小区段长度，其定义为:为明确确定所述图形内的标记的位置，在所述图形内的任意位置上所需观察的标记的数目。
[0033]由若干宽度不同的条纹及间隙构成(例如3种宽度的700个条纹)的所述以光学方式射出的图形在一个相机的整个图像区域内具唯一性。所述图形以某种方式构建，使得在从左至右逐步以及逐条纹经过所述例如由3个不同的条纹和3个不同的间隙构成的图形时，这种特定的6标记组合在整个图形中仅出现一次。
[0034]在此情形下，区段的长度大小必须符合以下要求:仅根据该区段在唯一或多个相机的观察区域内的位置，例如根据该区段中视向的倾斜度，便能为所述相机明确获知所分析的是哪一个区段。
[0035]此外，经编码的图形还可以具有沿行方向的不同区域，在这一区域内所述射出的图形的色彩相同，但该色彩在相邻的区域交替改变。可分别使用一投影仪或投射器来射出这些不同的色彩区域，从而不是仅用唯一的投射器或投影仪，而是能用沿行方向的多个连续的投影仪或投射器来射出所述图形，且还能根据色彩有区别地进行分析。
[0036]重叠的选择方式是:即使是在可检测的最大高度上，所述图形的色彩不同的相邻区域仍