控制三维物体的线性尺寸的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及测量仪器，并且能够通过以不同三角测量角度观测已知投影图案进行足够精确度的3D测量并显示三维物体轮廓。
【背景技术】
[0002]基于三个坐标控制三维物体的线性尺寸的先前已知方法包括，通过在受控物体表面上投影光束，在受控物体表面上形成探测结构化背光，其中光束由调制空间强度表征；配准由受控物体表面的形貌失真的探测背光图案的图像；以及基于探测背光图案的失真值，利用测量形貌高度的数字电子计算机，确定受控物体表面形貌的高度，并基于配准图像中背光图案失真的位置计算另外两个坐标(WO 99/58930)。
[0003]已知方法的缺点是，通过具有不变规则结构的透明滤波器沿着其中一个坐标调制的光辐射被引导到受控物体表面时的情况造成的高误差率，不可能预见或预先考虑表面和深度凹陷的不同反射性质造成的图像失真，这在没有与受控物体表面的宏观结构相关的任何现有消息的情况下不能被识别。
[0004]先前的技术包括一种基于三个笛卡尔坐标控制三维物体的线性尺寸的方法和实施该方法的设备。该方法包括沿着其中一个坐标向系统投影通过探测光辐射强度的空间调制产生的多色光带。
[0005]该系统的特征在于交替光带并产生结构化背光。其结果是，光电探测器的视场内的受控物体表面的整个部分和“叠加”在表面上的结构化背光的失真图像被记录在一帧中。基于光带集合的图像失真的程度和光带在笛卡尔系中的位置评估受控尺寸(WO00/70303)ο
[0006]先前使用的方法和使用该方法的设备的局限性是精度差，其与光带图像中的间隙的明确解释的不可能性有关，其中的光带图像因受控物体表面的轮廓，或通孔或取决于受控物体表面的一些区域的颜色的低光谱反射率值而失真。如果受控物体全部是局部组件，例如一组涡轮叶片，使用上述方法重建此种物体的拓扑结构以及随后控制其线性尺寸是不可能的。
[0007]先前使用以用于表面形状的光学测量的方法包括:将该表面放置在光学投影系统的照明场中并同时放置在用于记录上述表面的图像的设备的视场中；使用上述投影光学系统、利用已知结构的光通量，将一组图像投影到被测表面；记录以不同于图像集合投影角度的角度观察到的表面的相应图像集合，以及基于记录的图像确定被测表面的形状。在这种情况下，光强度的至少三个周期分布交替投影到上述表面，这些分布是其强度跟随正弦原理横向变化的光带集合，而且不同之处在于该光带集合在垂直于光带的方向上由光带内的受控值改变，并且记录的图像被处理以接收包含对应于表面上的点的相位的初步相位分布。此外，光强度的互补分布被瞬时投影在上述表面上，使得根据上述表面的每个点的上述光带集合来确定光带数目成为可能，上述表面的附加图像被记录；基于初步相位分布照亮的物体的上述图像和互补相位分布照亮的物体的上述图像，获得上述表面的每个可见点的最终相位分布。并且基于上述最终相位分布，使用初步校准数据，获得上述表面点的绝对坐标。当使用上述方法执行测量时，假设该表面的每个点的图像在仅利用投影单元发射的直接光束照亮该图像的条件下记录，并且根据记录，该物体点图像的照亮被认为与聚焦在该点上、直接来自投影单元的光束的亮度成比例(RU N0.2148793) ?
[0008]该方法的局限性包括使用该方法的设备的复杂性和需要大量时间测量的过程持续时间，以及在设备(投影单元和摄影机)位置的机械振荡的情况下留下误差的可能。
[0009]先前的技术包括使用结构化背光方法远程控制和识别三维物体的方法和设备，涉及光辐射源和跟随辐射源顺序安装的透明滤波器，其提供形成光带的非周期光线结构的可能性；将透明滤波器图像投影在受控表面的远焦光学系统；形成因受控物体表面的轮廓而失真、受控物体表面上出现的光线结构图片的图像的接收镜头；数字化由接收镜头形成的图像的摄影记录器和将摄影记录器记录的数字图像转变成受控表面上的坐标值的电子数字计算单元。该设备具有附加的N-1个辐射源，在辐射光谱范围内每个附加辐射源都与其它的不同；N-1个透明滤波器，每个透明滤波器的至少一个光带与其它的不同；安装在透明滤波器后面的N-1个镜头；N-1个反光镜，其以和N-1个镜头的每个的光轴线呈45度的角安装到远焦光学系统的第二组件之前；第二 N-1个反光镜，其以和接收镜头光轴线呈45度的角安装在接收镜头的后面;N-1个辅助接收镜头，每个辅助接收镜头安装在每个第二 N-1个反光镜后面并与接收镜头共同形成因受控物体表面的轮廓而失真、出现在受控物体表面上的光线结构的图片的图像；N-1台摄影记录器，每台摄影记录器具有光谱灵敏度范围，其与N-1个辐射源中的一个的光谱辐射范围一致；N-1个数字电子计算单元，电子图像附加单元被实施为其输入的数目等于数字电子计算单元的数目，其中每个电子图像附加单元的输入连接到每个数字电子计算单元的输出，并且根据公式N = Log2(L)确定数字N，其中L是摄影记录器采样分辨单元的成对的数目(RU N0.2199718) ο
[0010]该方法的局限性还包括使用该方法的设备的复杂性和需要大量时间测量的过程持续时间，以及在设备(投影单元和摄影机)位置的机械振荡的情况下留下误差的可能。
[0011]先前的技术包括基于三个笛卡尔坐标控制三维物体的线性尺寸的方法和使用该方法的设备，其中两台摄影机位于投影单元的右边和左边，因此形成类似于人类视觉的立体对。
[0012]投影单元将光带图像投影到物体上。从右边和左边两台摄影机接收图像，并且然后使用相关方法比较两个图像，即通过搜遍左边图像中的所有光带以将来自右边图像的每条光带与左边图像中的类似光带配对(US 6377700，原型)。
[0013]该方法的局限性是需要长时间搜遍光带的所有可能的对，并且相关算法的运行时间长。
【发明内容】
[0014]因此，本发明的目的是建立一种控制三维物体的线性尺寸的有效和高效方法，以及扩大控制三维物体的线性尺寸的方法的范围。
[0015]确保所述目的实现的技术成果包括:简化并自动完成控制三维物体的线性尺寸的过程、减少测量过程持续时间，以及在投影单元和摄影机在单个外壳中作为便携式工具来执行时，几乎完全消除在相对于测量物体的设备(投影单元和摄影机)的位置中出现机械振动的情况下的误差。
[0016]本发明的实质是使用结构化背光执行物体的3D测量的方法，投影单元用于沿着纵轴线中的一条将具有至少两条非交叉光线的已知图像投影到受控物体上，接着使用距离投影单元不同距离的位置处的至少两台摄像机，记录从物体反射的投影光，该至少两台摄像机在中心投影光束和摄影机的中心光束之间形成不同的三角测量角度，通过比较摄影机接收的光线的坐标，识别投影单元投影以及通过每台摄影机接收的反射光形成的每条光线，其中投影单元的中心光束和位于距离投影单元最小距离的位置处的第一摄影机的中心光束之间的三角测量角度等于投影光带之间的距离和该摄影机的镜头的焦点深度之间的比率的反正切，在来自第一摄影机的图像中，将竖直坐标和光线中心的纵坐标确定为纵坐标除以投影单元的中心光束和第一摄影机的中心光束之间的三角测量角度的正切的商，以及使用位于比第一摄影机的三角测量角度较大的三角测量角度的位置处的第二摄影机获得的竖直坐标值，调整竖直坐标，由此，在第二摄影机图像中，相同光线的位置被识别为最接近于被计算为使用第一摄影机确定的上述竖直坐标和第二摄影机三角测量角度的正切的乘积的纵坐标，之后，针对这些光线，确定调整后的纵坐标和竖直坐标的值。
[0017]用于确定第一摄影机图像中光线中心的纵坐标的优选方法是获得像素宽度上的最亮像素。假设摄影机和投影单元之间的距离为从投影单元到投影单元和摄影机的中心光束的交点的距离与投影单元的中心光束和摄影机的心光束之间的三角测量角度的正切的乘积。使