專利名稱:產(chǎn)生三維形狀的方法與設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一產(chǎn)生三維形狀(shape)或三維物體的方法及設(shè)備，例如將一具有三維形狀的物體(如人體等)生成三維圖像的方法及及設(shè)備。
曾有過使用仿形機(jī)床、鑄造、倒模等來產(chǎn)生與一具有三維形狀的物體等同的三維形狀的提議。
上述提議的缺點(diǎn)在于由于仿形機(jī)床、鑄造等的空間局限性，從而限限制制造一物體的三維形狀模型的能力，這樣便不能復(fù)制具有復(fù)雜輪廓廊及明顯凹凸的三維形狀。另外，如果該物體是由柔軟材料制成的，則其仿形加工便需要藝術(shù)感及高度技藝。
在自動(dòng)化技術(shù)月刊1981年2月號(hào)卷13第2號(hào)45-49頁(AUTOMATION TECHNIQUE.FEBRUARY 1981，Vol13，No.2，PP45-49)標(biāo)題為“利用圖形技術(shù)復(fù)制物體”(copying of object Using Pattern Technique)的論文中，揭示了應(yīng)用ITV(工業(yè)電視)攝像機(jī)拾取射在一物體上的縫隙光學(xué)圖像(slit optical image)，從而提供由物體表面光線產(chǎn)生的光線空間坐標(biāo)，并提供了復(fù)制物體能力的可能性。然而，此論文中并沒有發(fā)表任何用來復(fù)制物體的具體設(shè)備。
本發(fā)明的主要目的是提供一方法及設(shè)備，它能以簡易的測量方法來產(chǎn)生一三維形狀，并能以極高準(zhǔn)確度產(chǎn)生與一三維形狀物體相等或以一定放大倍數(shù)相似的三維形狀，且不論該實(shí)物的形狀是否復(fù)雜及材料是否堅(jiān)硬。
為了獲得本發(fā)明上述目的，一激光被照射在三維形狀的物體上，從而拾取該物體的光學(xué)圖像以提供該光學(xué)圖像的二維位置，由激光而得到的光學(xué)切割平面便用來測量整個(gè)物體，而一個(gè)三維形狀便可基于光學(xué)切割平面來產(chǎn)生。
利用以下伴有附圖的描述，其他目的與特征便更明顯。其中圖1A及1B分別是根據(jù)本發(fā)明而成第一實(shí)施方案的正視及側(cè)視圖;
圖2A及2B是解釋本發(fā)明的第一實(shí)施方案中，物體光學(xué)圖像測量的示意圖;
圖3是用來表示一ITV攝像機(jī)〔二維圖像拾取設(shè)備〕的圖像圖解;
圖4表示在圖3所示圖像的圖像信號(hào)狀態(tài);
圖5為一方塊圖，它表示對(duì)本發(fā)明的第一實(shí)施方案截面形狀操作的數(shù)據(jù)處理;
圖6A及6B為本發(fā)明第二實(shí)施方案的正視及側(cè)視圖;
圖7A及7B是用于解釋本發(fā)明的第二實(shí)施方案一物體的光學(xué)圖像測量;
圖8A、8B及8C是在本發(fā)明的第二實(shí)施方案中，用來表示一維線傳感攝像機(jī)(line Sensor Camera)(圖像拾取設(shè)備)拾取狀態(tài)的示意圖;
圖9是一方塊圖，用來表示在本發(fā)明的第二實(shí)施方案中，對(duì)截面形狀操作的數(shù)據(jù)處理;
圖10A及10B分別為本發(fā)明第三實(shí)施方案的正視及側(cè)視圖;
圖11是本發(fā)明第三實(shí)施方案中，表示由PSD攝像機(jī)拾取的光學(xué)軌跡;
圖12表示使用了本發(fā)明第三實(shí)施方案中，PSD攝像機(jī)的拾取屏幕;
圖13是一方塊圖，用來表示本發(fā)明第三實(shí)施方案中，一三維形狀的操作與產(chǎn)生;
圖14是表示本發(fā)明第三實(shí)施方案中的一個(gè)二維形狀存儲(chǔ)圖表;
圖15是表示本發(fā)明第三實(shí)施方案中，將二維形狀轉(zhuǎn)換成三維結(jié)構(gòu)的原理;
圖16與圖14所示一樣，表示將二維形狀轉(zhuǎn)換為三維形狀的存儲(chǔ)圖表;
圖17表示第三實(shí)施方案中，在三維形狀的生產(chǎn)上構(gòu)成平行截面的原理;
圖18表示用于構(gòu)成圖17所示平行截面的存儲(chǔ)圖表;
圖19是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方案而成的側(cè)面圖;
圖20表示在第四實(shí)施方案中所使用ITV攝像機(jī)(二維拾取設(shè)備)的屏幕;
圖21表示在圖20所示的圖像平面上，其圖像信號(hào)的狀態(tài);
圖22A及22B分別為根據(jù)本發(fā)明而成第五實(shí)施方案的側(cè)視及前視圖;
圖23表示在第五實(shí)施方案中所使用ITV攝像機(jī)的圖像;
圖24表示圖23所示圖像平面上的視頻信號(hào)狀態(tài);
圖25為一方塊圖，表示在第五實(shí)施方案中，對(duì)截面形狀的測量處理截面;
圖26是第五實(shí)施方案中，片切割的工作系統(tǒng)簡圖;
圖27是表示本發(fā)明第六實(shí)施方案的側(cè)視圖;
圖28A及28B分別是根據(jù)本發(fā)明而成第七實(shí)施方案的前視及側(cè)視圖;
圖29表示第七實(shí)施方案中所使用ITV攝像機(jī)的圖像;
圖30表示在圖29所示的圖像平面上一視頻信號(hào)的狀態(tài);
圖31A及31B分別是根據(jù)本發(fā)明而成第八實(shí)施方案的側(cè)視及前示圖;
圖32表示第八實(shí)施方案中所使用ITV攝像機(jī)的圖像;
圖33表示在圖29所示的圖像平面上一視頻信號(hào)的狀態(tài)。
以下，將參考附圖對(duì)本發(fā)明的第一實(shí)施方案解釋。圖1A及1B表示第一實(shí)施方案的一部份裝置，其中為了簡化解釋起見，用了一簡化人面的模型1作為物體。對(duì)模型1定下坐標(biāo)，坐標(biāo)軸是作為光束照射位置與光學(xué)圖像的圖像拾取裝置位置的參考標(biāo)準(zhǔn)。坐標(biāo)定出模型1的底中心為原點(diǎn)G，在前視圖1A中有一X軸自原點(diǎn)G以水平方向伸展，前視圖1A中并有一Y軸自原點(diǎn)以垂直方向伸展，而且側(cè)視圖1B中有一模型1的垂直中央線Z軸。一光束照射裝置2照射出具有原度△h的光束2′，例如，自一如激光光束發(fā)生器為光源，以0.5毫米厚度射在作為物體的模型1上。厚度為△h的光束2′照射在模型上并由一旋轉(zhuǎn)鏡或類似的裝置以及一光學(xué)透鏡系統(tǒng)通過一旋轉(zhuǎn)角θ掃描。而此時(shí)是以與Z軸垂直的線作為中心線的。將由光束掃描而成的光束平面作為X-Y軸平面，并在模型的底面定出Z軸的原點(diǎn)G(Zo)，以此作為對(duì)該物體測量的基準(zhǔn)。
一ITV攝像機(jī)3是一個(gè)二維圖像拾取裝置，它以一固定距離安排在光束照射裝置2的下面。光束發(fā)射裝置2的光束2′與ITV攝像機(jī)3的光軸提供一穿過Z軸而介于X-Y面間的固定角β，而ITV攝像機(jī)3所取的觀察角為α。光束發(fā)射裝置2與ITV攝像機(jī)3是固定地安裝于齒板(rack)8上，并以滑動(dòng)方式導(dǎo)入導(dǎo)粒7中;齒板8固定于球狀螺帽(ball mut)6，而此球狀螺帽6旋于球狀螺絲軸5上。球狀螺絲軸5與一步進(jìn)馬達(dá)(沒有表示出來)連接，該步進(jìn)馬達(dá)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)球狀螺帽6，因此齒板8是叫對(duì)應(yīng)光束直徑△h的高度來上升及下降。
為了以光束2′來照射物體模型1的整個(gè)外圍(整個(gè)外圍照射裝置)，并以作為二維圖像拾取裝置的ITV攝像機(jī)3來對(duì)應(yīng)地拾取整個(gè)外圍。在這實(shí)施方案中，四個(gè)光束照射裝置2與四個(gè)ITV攝像機(jī)3便安裝于實(shí)物模型1的四周。這樣，該等ITV攝像機(jī)3等距離地安安置于模型1的Z軸，并以相同的光學(xué)放大倍數(shù)直接與實(shí)物模型1的光學(xué)圖像比較，而該光學(xué)圖像是由來自照射裝置Z的對(duì)應(yīng)光束構(gòu)成的;該等ITV攝像機(jī)并對(duì)對(duì)應(yīng)該光學(xué)圖像的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
參考圖2A及2B，下面將對(duì)實(shí)物模型1的每個(gè)光來照射裝置2及每個(gè)ITV攝像機(jī)3的幾何位置予以解釋。
圖2A中，來自光束照射裝置2的光束2取一旋轉(zhuǎn)角θ，Y軸上的視圖限制SLM在0至+Ym的范圍內(nèi)，并且實(shí)物模型2的原點(diǎn)在Y軸上的位置為Ym/2。利用一光束照射裝置2的設(shè)備來照射整個(gè)模型1的外圍，其照射范圍必須限制在以原點(diǎn)為中心的90°范圍內(nèi)，亦即在Y軸中自YL1至YL2的范圍。來自光束照射裝置2的光束2′射到模型1上并在Z軸上以一固定角β交于作為二維圖像拾取裝置的ITV攝像機(jī)3的光軸3′上，其在Z軸上的投射位置被假設(shè)為Zi。當(dāng)來自光束照射裝置Z的光束2′照射到實(shí)物模型1上，而該光束2′被ITV攝像機(jī)3拾取時(shí)，在模型1相關(guān)截面上的光學(xué)圖像構(gòu)成一光學(xué)圖像平面，該光學(xué)圖像平面包含一由連續(xù)光束組成的鐮式圖像(Sickle image)，如圖3所示，在光學(xué)圖像平面中，線段10表示一穿過Zi上而平行于Y軸的線圖像(line image)。圖3所示的點(diǎn)Pi代表光線的一點(diǎn)Pi的圖像，此點(diǎn)可為射至模型1表面上的任一點(diǎn)，假設(shè)圖2中，朝著含有ITV攝像機(jī)3光軸的平面與平行于Y軸的方向，有向點(diǎn)Pi伸展的垂直線，其長度為△li;并且在圖3中，自點(diǎn)Pi向線段10伸展的一垂直線位置是Yi，其線段Pi′Yi′的長度為△Zi，△li＝1/n×△Zi其中n為ITV攝像機(jī)的光學(xué)放大倍數(shù)。
在這情況中，△Zi將由下列方式獲得。
由圖3所示，一個(gè)ITV攝像機(jī)的圖像平面由γ(通常約240-500)條掃描線構(gòu)成，它們由上至下是Si、S2…Sn…Sr。如圖4所示。ITV攝像機(jī)產(chǎn)生一圖像平面起動(dòng)信號(hào)VBL，然后是第一個(gè)水掃描信號(hào)HBL。跟著就是對(duì)應(yīng)陰影部分的視影部分的視頻信號(hào)HS和以一固定時(shí)間ta掃描的掃描線上圖像掃描亮暗信號(hào)。在掃描S1后。再次產(chǎn)生HBL信號(hào)，接著再順序掃描S2的視頻信號(hào)。當(dāng)在Sn上的掃描找到光束2′光學(xué)圖像時(shí)，它便明顯地以光束視頻信號(hào)BHS在圖像信號(hào)HS中出現(xiàn)光束視頻信號(hào)BHS。重復(fù)順序掃描到達(dá)Sr便終止一個(gè)圖像平面的掃描。完成Sr的掃描后，一馬達(dá)便將光束在Z方向上移動(dòng)△h距離至一鄰近位置。然后先產(chǎn)生第2個(gè)圖像平面的起動(dòng)信號(hào)VBL再產(chǎn)生水平掃描信號(hào)，開始另一圖像平面的掃描。
圖5是一方塊圖，它表示利用一個(gè)ITV攝像機(jī)獲取△Zi的一個(gè)控制電路。在圖中，數(shù)字3表示ITV攝像機(jī)，31表示一個(gè)分離電路。它接收圖像信號(hào)HS、水平掃描起動(dòng)信號(hào)HBL和由ITV攝像機(jī)3拾取光束2′的光學(xué)圖像的圖像平面起動(dòng)信號(hào)VBL，視頻信號(hào)是由HBL和VBL中分離的。20表示一用以計(jì)算水平掃描起動(dòng)信號(hào)HBL數(shù)目的計(jì)數(shù)器。產(chǎn)生圖像起動(dòng)信號(hào)VBL時(shí)，計(jì)算器置零。所以，在傳送一圖像平面起動(dòng)信號(hào)VBL至傳送后續(xù)的VBL時(shí)間之內(nèi)，計(jì)數(shù)器20計(jì)算水平掃描起動(dòng)信號(hào)HBL的數(shù)目。這樣，掃描線Si的數(shù)目便可由計(jì)數(shù)器20的數(shù)值測知。乘法器21將測得的掃描線Si數(shù)目乘以一掃描線間距△9，便得S1至Si的長度。這長度被一數(shù)值rx△q/Z(圖像平面的中心線，對(duì)應(yīng)圖3線段10的位置)減去，從而計(jì)算出垂直方向從線段10起的掃描點(diǎn)距離。
另一方面，振蕩器23產(chǎn)生具有由一掃描線的掃描時(shí)間ta等分成m部份所決定一持續(xù)時(shí)間的間距脈沖(interval pulses)。間距脈沖的數(shù)目由一被水平掃描起動(dòng)信號(hào)置零的計(jì)數(shù)器24計(jì)算。即是計(jì)數(shù)器24計(jì)算某一掃描線間距脈沖的數(shù)目，直至在下一掃描線上產(chǎn)生水平掃描起動(dòng)信號(hào)HBL，并且該計(jì)算數(shù)值與分掃描線長度為m部分所決定的長度△ye相乘。這樣，ITV攝像機(jī)圖像平面上任何掃描點(diǎn)的水平位置便可由乘法器26的輸出信號(hào)計(jì)算出來。
為了將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為有亮“1”及暗“0”的羅輯二進(jìn)制碼，一數(shù)字化電路25與分離器31后部相聯(lián)，同時(shí)數(shù)字化電路只輸出視頻信號(hào)HS。其中，照射于物體模型外圍的用“1”表示，而其他部分則用“0”表示。
對(duì)于光學(xué)圖像的垂直位置，在數(shù)字化電路25的輸出為“1”時(shí)，將減法器22的輸出通過門電路27存儲(chǔ)于一存儲(chǔ)電路28中。對(duì)于光學(xué)圖像的水平位置，在數(shù)字化電路25的輸出為“1”時(shí)，將乘法器26的輸出通過門電路29存儲(chǔ)于存儲(chǔ)電路30中。
因此，根據(jù)圖5，由圖3中一掃描線Si的垂直位置，Zi及水平位置△Yi所表示的一影象平面上的光學(xué)圖像得以確定。當(dāng)在一掃描線線上測得復(fù)數(shù)個(gè)△Zi及△Yi時(shí)，它們?nèi)繉⒈淮_定為△Zi、-△ZiP、及△Yi、-△YiP。
將ITV攝像機(jī)的一個(gè)圖像平面轉(zhuǎn)換成一二維平面，即X-Y軸系統(tǒng)平面時(shí)，可自下列算式得Xi＝ 1/(n) ×△Zi× 1/(Sinβ) ……(1)Yi＝( (Ym)/2 - 1/(n) ×△Yi)+( (Xi)/(L) + 1/(n) ×△Yi) …(2)n是ITV攝像機(jī)的一光學(xué)放大倍數(shù)。
上述運(yùn)作是由一通用微型計(jì)算機(jī)執(zhí)行的，說得明確些，物體某一截面的光學(xué)圖像軌跡是由ITV攝像機(jī)拾得的光束光學(xué)圖像、掃描線的數(shù)目以及某一掃描線所處瞬間的關(guān)系決定的，從而運(yùn)算出對(duì)應(yīng)某截面的光學(xué)截面。
光束2′被步進(jìn)地上下推動(dòng)以照射在整個(gè)模型1上。更具體地說，光束照射裝置2是固定在齒板8上，齒板8亦固定于用球形螺桿與固定的滾珠螺母上，從而由馬達(dá)(未顯示)驅(qū)動(dòng)球形螺桿與齒板8便可使直徑(厚度)△h的光束沿Z軸方向步進(jìn)地上下移動(dòng)。
模型1頂部及底部之間的每一△h直徑均由光束2′產(chǎn)生光學(xué)圖像軌跡。該模型1是一由光線構(gòu)成的平面中的物體，即為X-Y軸系統(tǒng)的平面，以及在X-Y軸系統(tǒng)平面上的形狀數(shù)據(jù)(Xi，Yi)是為每一光束直徑△h提供的。
將由每一直徑△h的光束2′所獲得的形狀數(shù)據(jù)(Xi，Yi)輸入一NC(數(shù)字控制)激光切割機(jī)，從一厚度為△h片材上勾勒出與形狀數(shù)據(jù)相同形狀的模板。依次堆搭這樣的模板，便構(gòu)成了具有與物體同樣形狀的三維形狀。
根據(jù)該實(shí)施方案，即使物體形狀復(fù)雜及表面柔軟，例如人面或人體亦能容易產(chǎn)生其三維形狀。
雖然在這實(shí)施方案中，采用與光束直徑同樣厚度的片來做和物體相同形狀的模板，但也可利用厚度與光束直徑成某一比例的片可很容易地放大或縮小物體，獲得合成三維形狀，同樣亦可根據(jù)一定比率放大或縮小原始形狀數(shù)據(jù)。雖然在這實(shí)施方案中，采用了4個(gè)光束照射裝置及4個(gè)ITV攝像機(jī)，并如圖1B所示提供了一可旋轉(zhuǎn)90度的轉(zhuǎn)盤9，藉此通過一光束照射裝置使物體受到照射，而令相連的ITV攝像機(jī)接收圖像。
下面將參考附圖6至9對(duì)本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施方案加以描述。
在第一個(gè)實(shí)施方案中，光束照射裝置用作執(zhí)行在一固定角度內(nèi)掃描，ITV攝像機(jī)作為一二維圖像拾取裝置用作圖像拾取裝置。另一方面，在第二個(gè)實(shí)施方案中，一光束12a′與Y軸相平行移動(dòng)，并且作為圖像拾取裝置，使用一個(gè)用作一維圖像拾取裝置的一維線傳感攝像機(jī)。
如圖6A與6B所示，數(shù)字12表示一光束照射裝置，用以發(fā)射光束12a′，光束12a′與第一實(shí)施方案不同，只執(zhí)行平行掃描，而不在固定角度內(nèi)掃描。光束照射裝置12是固定安裝在一個(gè)可沿X-軸及Y-軸方向移別的齒板18上。直徑△h的光束12′由光束照射裝置12投射向-Y-Z軸的系統(tǒng)平面，并且在移動(dòng)齒板18沿Y-方向動(dòng)移時(shí)，物體模型1通過由此產(chǎn)生的平行掃描而被光束照射。齒板18沿Y軸的移動(dòng)可通過由步進(jìn)馬達(dá)(未顯示)移動(dòng)螺母6和球形螺桿5實(shí)現(xiàn)，如同第一實(shí)施方案中Z方向上的移動(dòng)。另外數(shù)字19表示Y軸上的位置檢測器。
將一個(gè)一維線傳感攝像機(jī)13安裝于齒板18上低于光束照射裝置12的部位，并與Z一軸平行，從而使由此產(chǎn)生的光軸與X-Y軸平面成β角度，并往其檢測方向與X-Z軸平面平行。
在該實(shí)施方案中，另外還安有4套齒板18以連續(xù)檢測圍繞在Z一軸的物體1的整個(gè)外圍，但這里只對(duì)其中一套加以解釋。
圖7A與7B是前視及側(cè)視圖，它們分別顯示光束照射裝置12及一維傳感攝像機(jī)13的幾何位置。圖7B中，Zi是線傳感攝像機(jī)13的光軸與Z軸的交點(diǎn)。
如圖8A所示，一維線傳感攝像機(jī)13由光學(xué)透鏡50及一維線傳感器51組成。如圖8B所示，一維傳感器51包括排列在一直線上E數(shù)目的微型光傳感器40(通常E為128、256、512、1024…4096)。
現(xiàn)在假設(shè)由光束發(fā)射裝置12發(fā)射的光束12′與模型1表面構(gòu)成的交點(diǎn)為Pi。當(dāng)點(diǎn)Pi被一維線傳感攝像機(jī)12拾取時(shí)，在一維線傳感器51的上顯現(xiàn)的圖像Pi被定焦在第e個(gè)元件上，而相對(duì)于點(diǎn)Zi被定焦于第E/2個(gè)元件上，假設(shè)在圖8A，由點(diǎn)Pi至包含線傳感攝像機(jī)光軸13及與Y一軸平行的平面的垂直線長度為△li。而在一維傳感器51中每一元件的長度是朝著線的方向，則滿足下列關(guān)系
△li＝ 1/(n) ×〔( (E)/2 -e)×△q〕 ……(3)n是線傳感攝像機(jī)的光學(xué)放大倍數(shù)。
另外，Pi′定焦所在的一維線傳感器51的每一個(gè)元件數(shù)目e由下列方式獲得。
如圖8B所示。一維線傳感器51的每一元件提供相應(yīng)于受光量(光強(qiáng)度×數(shù)收時(shí)間)的電荷△q。
在該圖中，數(shù)定41表示一開關(guān)(Switch)，它用于將存儲(chǔ)在每一元件中電荷與電荷一電壓轉(zhuǎn)換器42藕合。為響應(yīng)一控制電路43的開關(guān)信號(hào)CHS，這些聯(lián)以△t時(shí)間為間隔從第一個(gè)開始逐一依序動(dòng)作。以在某一瞬間只有一個(gè)開關(guān)處于開啟狀態(tài)。
圖8C顯示一輸出電壓的波形。它是由電荷電壓轉(zhuǎn)換器42將每一傳感器元件的電荷轉(zhuǎn)變成電壓而產(chǎn)生的。
由于光束圖像的定焦在第一至第E個(gè)元件中的第e個(gè)上，則該傳感器元件提供一比其它元件高一層的輸出。
圖P顯示一個(gè)檢測一維線輸出元件數(shù)目的電路。在該圖中，數(shù)字44表示一計(jì)算開啟信號(hào)的計(jì)數(shù)器。第一個(gè)開啟信號(hào)在控制電路43輸出前，一由控制電路43發(fā)出的開啟起動(dòng)信號(hào)STB令計(jì)數(shù)器44置零。計(jì)數(shù)器44亦計(jì)算從控制電路43輸出的開啟信號(hào)數(shù)目，直至STB信號(hào)被供給為止，從而計(jì)數(shù)器44的輸出指示現(xiàn)需轉(zhuǎn)換的開關(guān)數(shù)。
數(shù)字化電路45用于轉(zhuǎn)換電荷電壓轉(zhuǎn)換器42的輸出電壓成亮度“1”與暗度“0”的兩邏輯數(shù)值;并輸出受光束照射的模型1的表面部分為“1”，而其它部分為“0”。
門電路46用于當(dāng)數(shù)字化電路45的輸出是“1”(光度)時(shí)，輸出和存儲(chǔ)計(jì)數(shù)器44的輸出至存儲(chǔ)電路48。
如上所述，齒板18，可沿Y、Z軸方向移動(dòng)，而各軸的目前位置可由兩個(gè)位置檢測器檢測。當(dāng)數(shù)字電路45輸出是“1”(亮)時(shí)，另一門電路47輸出Y軸位置檢測器的輸出，并將此信號(hào)輸入存儲(chǔ)在存儲(chǔ)線路49中，它與將計(jì)數(shù)器44的輸出存儲(chǔ)在存儲(chǔ)線路48中是同步進(jìn)行的。當(dāng)移動(dòng)齒板18時(shí)，上述操作可以圖7A中光束直徑△h為間距自0點(diǎn)移向Ym重復(fù)進(jìn)行。
與此同時(shí)，沿X軸方向自點(diǎn)Pi向Z軸延伸的垂線可由下式獲得Xi＝△li× 1/(Sinβ) ……(4)并由等式(3)可得Xi＝ 1/(n) ×〔( (E)/2 -e)×△q〕× 1/(Zinβ) ……(5)此時(shí)，Pi點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)對(duì)應(yīng)于Y軸位置檢測器的數(shù)值。等式(5)由電子線路如微型計(jì)算機(jī)等來運(yùn)算。從而提供一個(gè)與被攝主體的X-Y面平行的截面形狀。
如同在第一個(gè)實(shí)施方案中，模板是基于得到的形狀制成，并通過堆搭這些模板而產(chǎn)生一三維形狀。
而第二個(gè)實(shí)施方案除了具有第一個(gè)實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)之外，還可因使用一維線傳感攝像機(jī)來降低整個(gè)系統(tǒng)的費(fèi)用而產(chǎn)生有價(jià)值的效果。
本發(fā)明的第三實(shí)施方案的解釋可參考圖10A和10B，其顯示了此實(shí)施方案設(shè)計(jì)的一個(gè)部分。
在這些圖中，數(shù)字2是產(chǎn)生激光束的激光發(fā)生器，60是通過X軸R點(diǎn)所產(chǎn)生的激光束掃描模型1X-Y軸平面的旋轉(zhuǎn)式反光鏡。激光束沿與被攝主體1的垂直方向(Z軸)以包括了全部主體的角度范圍(Pφ1-Pφn)內(nèi)的φ角進(jìn)行掃描。61是位置檢測攝像機(jī)，例如，它可是使用二維光點(diǎn)檢測器(PSD)的圖像拾取裝置，該攝像機(jī)并在其鏡頭上有一主點(diǎn)，此點(diǎn)是在X-Y軸平面上，通過原點(diǎn)G，并與X軸形成一夾角θ范圍內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)。此相機(jī)并有一條由原點(diǎn)G延至Q點(diǎn)的光軸
GQ。激光束光學(xué)圖像照射至模型1，并由PSD相機(jī)61所拾取。因此假定圖10A和圖10B中，當(dāng)激光束與X軸形成的掃描角是φi(i＝1-n)時(shí)，光點(diǎn)是Pφi;此光點(diǎn)Pφi至線段
GQ的垂足是S，而PSD攝像機(jī)61主點(diǎn)Q至X軸的垂線垂足是QO;這樣光點(diǎn)Pφ1的圖像軌跡P′
被PSD攝像機(jī)61所拾取。其結(jié)果如圖11所示。此軌跡是模型1X-Z軸平面的截面形狀。圖11中，點(diǎn)S′和P′O分別由PSD攝像機(jī)所拾取的上述的S和PO點(diǎn)得到的。線X′、Y′和Z′分別對(duì)應(yīng)于X、Y和Z軸。
從圖11看，當(dāng)計(jì)算光點(diǎn)Pφi的X軸和Z軸的座標(biāo)Xφi和Zφi時(shí)，因Xφi等于線段
GPφi
，而Zφi又等于
POPφi，故可從如下等式得出X軸座標(biāo)Xφi＝
GPφi
……(6)其中KPSD相機(jī)光學(xué)放大倍數(shù)。
C′P′O(圖11中)PSD圖像平面上G′點(diǎn)至P′O點(diǎn)距離。
Z軸座標(biāo)Zφi＝
POPφi
……(7)其中b主點(diǎn)至PSD圖像攝取平面的距離P′OP′φi
PSD圖像平面上P′O點(diǎn)到P′φi點(diǎn)的長度(圖11)。
下面將解釋PSD攝像機(jī)61的PSD圖像平面上，光點(diǎn)圖像P′φi的位置的計(jì)算方式。當(dāng)PSD圖像拾取平面上某一點(diǎn)出現(xiàn)一光點(diǎn)時(shí)，即在W點(diǎn)(Point W)，便產(chǎn)生一光電電流。此光電電流流向PSD圖像拾取平面四個(gè)邊緣的電極A1、A2、B1和B2，而此電流強(qiáng)度與W點(diǎn)至每一電極的距離成反比，假設(shè)如圖12所示，通過圖像攝取平面中心點(diǎn)的橫座標(biāo)是a軸，縱軸是b軸，而流向A1、A2、B1和B2各個(gè)電極的電流是IA1、IA2、IB1和IB2，而W點(diǎn)是a軸和b軸位置可由下列等式獲得。
由W點(diǎn)至a軸(Wa)的距離= (IA1-IA2)/(IA1+IA2) ×l1……(8)由W點(diǎn)至b軸(Wb)距離＝IB1-IB2……(9)其中l(wèi)1＝電極A1至電極A2之間的距離。
l2＝電極B1至電極B2之間的距離。
進(jìn)一步說，P′φi的位置，亦即，
G′P′O、
P′O′φi
是可由上式計(jì)算獲得，其中a軸及b軸位置是如圖12中所示的PSD攝像機(jī)的圖像拾取平面上決定的，從而使它們分別對(duì)應(yīng)于X軸和Y軸的圖像X′和Y′。
特別地，模型1由激光束通過旋轉(zhuǎn)反光鏡60從其頂點(diǎn)Pφ′n掃描至其低部點(diǎn)Pφn，激光束由Pφ1至Pφn射向每一點(diǎn)的光學(xué)圖像被PSD攝像機(jī)拾取，其通過對(duì)上述等式(5)、(6)、(7)和(8)計(jì)算便可得每一位置的Xφi，Zφi。
通過將依次測量出的Pφ1至Pφn各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的座標(biāo)(Xφi，Zφi)結(jié)合，便提供了一個(gè)相應(yīng)于被攝模型1的X-Z軸平面的近似半園形部分的二維形狀。二維形狀由獲得的一系列從位置Pφ1至Pφn的座標(biāo)所組成，此圖形數(shù)據(jù)可存于一存儲(chǔ)器內(nèi)，作為產(chǎn)生下面將描述的三維(立體)形狀的數(shù)據(jù)。
這樣便解釋了得到一相應(yīng)于模型1的X-Z軸平面的二維形狀的方法。然而，為了產(chǎn)生模型1的三維形狀，必須得到整個(gè)模型的二維形狀。為此，需旋轉(zhuǎn)此模型。特別是相應(yīng)于模型X-Z軸平面的位置需改變，正如圖10A所示，它是使用一電動(dòng)馬達(dá)62將一轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)65轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度來實(shí)現(xiàn)，電動(dòng)馬達(dá)62固定在固定支撐裝置64上，該裝置安裝于地面上。然后，再通過激光光束掃描，得到二維形狀，這個(gè)形狀是對(duì)應(yīng)于模型1的新的半園形部分的二維形狀。將對(duì)應(yīng)于各個(gè)截面的二維形狀(Xφi，Zφi)存入存儲(chǔ)器，這樣便得到整個(gè)模型的二維圖像，將它也存入存儲(chǔ)器，轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)子65的轉(zhuǎn)動(dòng)角度由與電動(dòng)馬達(dá)62聯(lián)結(jié)在一起的轉(zhuǎn)軸狀態(tài)指示器63檢測，而此指示器的輸出與對(duì)應(yīng)于模型1各個(gè)截面的二維形狀一同存儲(chǔ)起來。
圖13所示為在獲得的上述二維空間形狀的基礎(chǔ)上獲得三維空間形狀的電路方塊圖。下面接著說明該電路方塊圖的電路結(jié)構(gòu)及其操作。圖中數(shù)字1表示一作為物體的模型，數(shù)字2表示一激光束發(fā)生器，數(shù)字60表示一轉(zhuǎn)鏡，以及數(shù)字61表示一PSD攝像機(jī)。
產(chǎn)生模型1的三維空間形狀的電路結(jié)構(gòu)包括光點(diǎn)位置計(jì)算電路71、72，用于測定由PSD攝像機(jī)拾取的每個(gè)光點(diǎn)的位置;一激光束掃描控制電路73，用于控制掃描激光光束的轉(zhuǎn)鏡60;一電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制線路，用于控制使模型轉(zhuǎn)動(dòng)到某一角度的電機(jī)62;以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器75、76;一微型計(jì)算器78、79、80、81;紙帶穿孔器82，該穿孔器可完成數(shù)據(jù)的處理、運(yùn)算、儲(chǔ)存和輸出。
下面說明上述電路結(jié)構(gòu)的操作。為了簡化說明的目的，下面僅說明激光光束是在模型1的旋轉(zhuǎn)角度為0的情況下進(jìn)行第一次照射。轉(zhuǎn)鏡60隨著激光光束掃描控制電路73的輸出而從模型1的頂端Pφ1到其底端Pφn進(jìn)行激光照射。
PSD攝像機(jī)60拾取從Pφ1處到Pφn處的光點(diǎn)，由PSD攝像機(jī)產(chǎn)生的與各個(gè)光點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光電電流IA1、IA2和IB1、IB2，且分別被輸入到光點(diǎn)位置計(jì)算電路71、72中。光點(diǎn)位置計(jì)算電路71產(chǎn)生一與此電路IA1和IA2為基準(zhǔn)的
G′P′O相對(duì)應(yīng)的模擬電壓，而光點(diǎn)位置計(jì)算電路72則產(chǎn)生一與此電路IB1和IB2為基準(zhǔn)的
P′OP′φi
相對(duì)應(yīng)的模擬電壓。這些模擬電壓在被模/數(shù)轉(zhuǎn)換器75、76轉(zhuǎn)換成數(shù)值之后被輸入微計(jì)算機(jī)77。
上述等式(6)、(7)是由與輸入微型計(jì)算機(jī)內(nèi)的
G′PO′和
P′OP′φi
對(duì)應(yīng)的數(shù)字值(digital value)進(jìn)行運(yùn)算，以獲得光點(diǎn)Pφi的X座標(biāo)和Z座標(biāo)。即(Xφi、Zφi)。這個(gè)值(Xφi、Zφi)以及由旋轉(zhuǎn)變換器63測定的旋轉(zhuǎn)板的轉(zhuǎn)角(現(xiàn)在為“O”)，一同存入存儲(chǔ)器78。因此在每一固定的時(shí)間，當(dāng)激光掃描的光點(diǎn)從模型1的頂端Pφ1移動(dòng)到底端Pφn時(shí)(在該固定時(shí)間內(nèi)，激光光束是連續(xù)的)，就可重復(fù)獲得上述數(shù)據(jù)，這樣當(dāng)旋轉(zhuǎn)板65的轉(zhuǎn)角為0°時(shí)，與模型1的X-Z軸平面對(duì)應(yīng)的近半園形的截面(從PSD攝像機(jī)內(nèi)可以看到)的X座標(biāo)和E座標(biāo)就存入存儲(chǔ)器78內(nèi)。
然后，由微型計(jì)算機(jī)77給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路74一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)機(jī)62使旋轉(zhuǎn)板65轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度△α＝360°/m(m表示一個(gè)范圍，在該范圍中激光束是連續(xù)的)。通過與電機(jī)62相連的轉(zhuǎn)軸狀態(tài)編碼器(rotary encoder)63將轉(zhuǎn)角△α輸入到微型計(jì)算機(jī)71內(nèi)。
電機(jī)62轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)板65，由此將模型1轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度△α，由上述二維數(shù)據(jù)便可獲得與模型1的X-Z軸平面對(duì)應(yīng)的新截面的二維空間形狀的X座標(biāo)和Z座標(biāo)，這些座標(biāo)被存入存儲(chǔ)器78。此后，在以一固定角度△α旋轉(zhuǎn)模型1之后，將可依次獲得各截面的X座標(biāo)和Z座標(biāo)。
參照圖14說明存儲(chǔ)器78的存儲(chǔ)狀態(tài)。圖中存儲(chǔ)地址表示激光光束掃描的光點(diǎn)Pφ1和Pφn的位置。轉(zhuǎn)軸狀態(tài)編碼器63的旋轉(zhuǎn)角度，X座標(biāo)和Y座標(biāo)與存儲(chǔ)地址相對(duì)應(yīng)地存入存儲(chǔ)器。
由上述二維空間測定數(shù)據(jù)所獲得的二維空間形狀是圍繞模型1中心變換的每個(gè)固定角度△α截面對(duì)應(yīng)的形狀，因此這些二維空間形狀的疊加不能提供與模型1相等的三維空間形狀。
所以，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器78內(nèi)的X-Z座標(biāo)(Xφi、Zφi)數(shù)據(jù)一定要換成二維形狀，而與這些二維形狀有關(guān)的截面是與旋轉(zhuǎn)角度為0°上的截面平行的。
數(shù)據(jù)的換轉(zhuǎn)是以旋轉(zhuǎn)角度為0°時(shí)的截面來進(jìn)行的，而這截面剛巧是和X-Y平面一致的。在旋轉(zhuǎn)角度為j△α(j＝0，1，2，3，…m)時(shí)，如圖15所示，光點(diǎn)Pφi的X座標(biāo)Xφi(j△α)，Y座標(biāo)Yφi(j△α)及Z座標(biāo)Zφi(j△α)可從以下的方程式得到
該光點(diǎn)Pφi的三維座標(biāo)(Xφi、Yφi、Zφi)被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器79內(nèi)。存儲(chǔ)器79的存儲(chǔ)方式可從圖16的舉例中看到。
所有在每一截面內(nèi)需要用來制造模型1的三維形狀的光點(diǎn)座標(biāo)可從上述操作來獲得。跟著，為了便于制造如圖17所示的三維形狀，Y軸被分割固定的分距間隔，在每一間隔范圍內(nèi)所包含的Y座標(biāo)，其相對(duì)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器79內(nèi)的三維形狀的座標(biāo)數(shù)據(jù)Yφi(j△α)可用下列的方程式加以分類K·△y≤Yφi(j△α)＜(K+1)△y ……(11)這里K＝0或者相當(dāng)于整數(shù)±1、±2、±3…分類結(jié)果以圖18所示的方式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器80中。更正確地說，所有在Y座標(biāo)一定范圍內(nèi)如，K·△y≤Y＜(K+1)△y的Yφi(j△α)是從存儲(chǔ)器77中取出，并根據(jù)它們的分類數(shù)據(jù)連同其相對(duì)應(yīng)的Xφi(j△α)和Zφi(j△α)順序地存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器80內(nèi)。因此，每隔一段時(shí)間，Xφi(j△α)和Zφi(j△α)座標(biāo)便儲(chǔ)在存儲(chǔ)器80內(nèi)，K△y≤Y＜(K+1)△y表示厚度為△y的截面形狀，而該截面與模型1的X-Z軸的平面平行。
附帶地說，在以上所說的分類，在Y座標(biāo)K·△y≤Y＜(K+1)△y的同一間隔中，可能有相同的X座標(biāo)Xφi(j△α)和不同的Z座標(biāo)Zφi(j△α)。在這種情況下，可采用Zφi(j△α)的平均數(shù)值。這亦能應(yīng)用于X座標(biāo)Xφi(j△α)上。
存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器81的X座標(biāo)Xφi(j△α)是于△y的Y座標(biāo)間隔中被分類的，并與Zφi(j△α)′s一起，Xφi(j△α)是由正最大值排到負(fù)最大值。同樣地，Z座標(biāo)Zφi(j△α)亦可用以上的方式排列。
因此，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器81內(nèi)的X座標(biāo)Xφi(j△α)及Z座標(biāo)Zφi(j△α)是由正最大值排列到負(fù)最大值。存儲(chǔ)器81的內(nèi)容可利用微型計(jì)算機(jī)77讀出。而NC帶83可利用紙帶穿孔機(jī)82(paper tape puneber)制成。NC(數(shù)字控制)帶83可先利用一紙帶讀出器(paper tape reader)(沒有在圖內(nèi)顯示)，輸進(jìn)一NC紙片切割器內(nèi)(NC sheet cutting device)(沒有在圖內(nèi)顯示)。跟著一張厚度為△y的紙片被切成一模板。該模板大致上相等于那與模型的X-Z軸平面平行的切面。由NC紙片切割器切成的紙片，當(dāng)其厚度以相等于和X座標(biāo)及Y座標(biāo)的比率縮小或擴(kuò)大時(shí)，模板也以一定程度從模型1縮小。
那些從以上方法所堆疊的模板可提供一三維形狀，定量縮小的模型1。為了便于在制造三維形狀時(shí)的堆疊，資料例如許多參考孔(plural reference holes)被輸入到NC帶中，從而提供與各模板相對(duì)應(yīng)的孔。如此在堆疊模板時(shí)，將各模板與其相對(duì)應(yīng)的孔穩(wěn)固地連結(jié)在一起，便可輕易地產(chǎn)生一三維形狀。
在這實(shí)施方案中，已經(jīng)解釋過用NC紙片切割機(jī)制成三維形狀的情形。不過，有關(guān)模型1的X-Z軸平面的截面，可將如微型計(jì)算機(jī)77的輸出連接于X-Y標(biāo)繪器或紀(jì)錄器而繪劃出來。從而能在切割紙片時(shí)，按照所劃出的形狀切割。這亦可制造出一三維形狀。
在以下的敘述中，本發(fā)明的第四實(shí)施方案將參照圖19而加以敘述。從比較圖1A、1B及圖19可瞭解到這第4實(shí)施方案是不同于第一實(shí)施方案的。它們不同之處是這第4實(shí)施方案是用一剖面光照射器90去照射出厚度為△h(如0.5mm)的光帶90′的剖面光90，從而代替激光的光束。ITV攝像機(jī)3安裝在引導(dǎo)裝置(guide device)8a上。由于ITV攝像機(jī)3(可在引導(dǎo)裝置8a上)在預(yù)定的半徑R范圍內(nèi)滑動(dòng)，使它可以改變由ITV攝像機(jī)的光軸與穿過Z軸的X-Y平面所形成的光軸角度。(順便一提，這8a引導(dǎo)裝置亦適用于已敘述過的本發(fā)明實(shí)施方案)除以上所說的不同處外，本發(fā)明的第四實(shí)施方案(如圖19所示)和本發(fā)明的第一實(shí)施方案(如圖1A及1B所示)是完全一樣的。
ITV攝像機(jī)3所攝的光學(xué)圖像將參照圖20加以說明。由于使用剖面光(Slit light)90′，橫型1的光學(xué)圖像會(huì)成一鐮式圖像(Sickle image)。在ITV攝像機(jī)3內(nèi)的圖像信號(hào)狀態(tài)可從圖21看到。如圖20所示，當(dāng)掃描線Sn與鐮狀的光學(xué)圖像相交時(shí)。便會(huì)產(chǎn)生如圖21所示的高電平圖像信號(hào)。特定截面的光截面是由其相關(guān)的光軌跡中得到。光軌跡是通過處理圖像信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。光截面如圖5所示。第一實(shí)施方案一樣是在處理獲得的截面形狀數(shù)據(jù)時(shí)獲得的。
下面本發(fā)明的第五實(shí)施方案將參照圖22A及22B加以解釋。這兩張圖為此實(shí)施方案的側(cè)視圖及前視圖。此實(shí)施方案的特點(diǎn)是用一剖面光照射器90′來提供復(fù)數(shù)剖面光90a，從而縮短物體1的照射時(shí)間。
剖面光照射器90是由復(fù)數(shù)光源構(gòu)成，例如由10個(gè)激光發(fā)生器及一光學(xué)系統(tǒng)，如圓柱形的透鏡或凹鏡組成此照射器在模型上照射出復(fù)數(shù)(例如10)的剖面光90a1-90a10。每一剖面光厚度為△h(如0.5mm)弦角為θ。90a1-90a10中每條剖面光從相對(duì)于自己的光源中心處劃出一線作為中心線，并與模型1的垂直中心線(Z軸)成90°直角。這些中心線在照射時(shí)是互相平行的。每一線也是以同樣距離(如30mm)相隔。
ITV攝像機(jī)3在用作二維形狀拾取器時(shí)是置于與剖面光照射器90一定距離處，從而令攝像機(jī)的光軸可指向模型1上，并與剖面光90a1-90a10產(chǎn)生預(yù)定的角度。(例如，與剖面光90a5成一一β角度)。進(jìn)一步來說，假設(shè)ITV攝像機(jī)3的有效角度為α，由攝像機(jī)的透鏡主點(diǎn)至Z軸的垂直線，會(huì)與Y軸在G點(diǎn)相交，與X軸及Z軸垂直相交的線為Y軸，而G點(diǎn)是為每一坐標(biāo)軸的原點(diǎn)。
剖面光照射器90及ITV攝像機(jī)3穩(wěn)固地裝置于支架上。支架4能在一導(dǎo)引柱上作定向滑動(dòng)。支架4是置于由球形螺桿5旋住的一球形螺帽6之上。連接于球形螺旋軸5的步進(jìn)電機(jī)(圖中未顯示)以剖面光的厚度△h步進(jìn)驅(qū)動(dòng)球形螺帽6上下移動(dòng)。因而，剖面光亦是步進(jìn)射向模型。
為3能使剖面光90a照射到模型1的整個(gè)表面，并拾取合成光學(xué)圖像，需安置多個(gè)剖面光照射器90及相應(yīng)的ITV攝像機(jī)3，以便包住整個(gè)模型1表面。
在此情況下，當(dāng)每一ITV攝像機(jī)至作為模型1中心線的Z軸的距離是相等時(shí)，并且其光學(xué)放大也相等時(shí)，由測量結(jié)果而得的構(gòu)成NC數(shù)據(jù)的操作便可以簡化，這是由于相對(duì)于剖面的光學(xué)圖像被相關(guān)的ITV攝像器3拾取后可直接進(jìn)行比較。但是這不是一個(gè)必不可少的必要條件。例如，僅用先前并且準(zhǔn)確地測量的某一截面的形狀，當(dāng)將此形狀數(shù)據(jù)與上述所說各ITV攝像機(jī)3產(chǎn)生的數(shù)據(jù)相比較時(shí)，同樣也可以檢測每一攝像機(jī)的測量數(shù)據(jù)。
圖23顯示由ITV攝像3拾取的光學(xué)圖像。這些光像是由剖面光90a照射在模型1而形成的。ITV攝像機(jī)3是排列成其掃描線的方向，與由X軸及Z軸構(gòu)成的平面(即X-Z平面)相平行，當(dāng)那相應(yīng)于照射在模型1上的剖面光90a的光學(xué)圖像由ITV攝像器拾取時(shí)。便會(huì)形成10個(gè)拱形剖面圖像，如圖23所示。圖23中剖面光圖像內(nèi)的P′i個(gè)點(diǎn)是圖22A及22B內(nèi)圖像的Pi點(diǎn)，亦對(duì)應(yīng)于照射于模型1表面上的剖面光內(nèi)的任何一點(diǎn)。座標(biāo)Y及Z是對(duì)于圖22A及22B的X及Z軸。附帶說，圖23中S1-Si-Sr為ITV攝像機(jī)3的掃描線。Ka是一門限值，它用于將接收信號(hào)數(shù)字化成亮(高)及暗(低)兩種不同的值。
為了得到由攝像機(jī)3拾取如圖23所示的圖像的光學(xué)截面，將說明Pi點(diǎn)的X軸、Y軸及Z軸坐標(biāo)。如圖23所示，ITV攝像機(jī)3的一個(gè)圖像平面是由在r掃描線上(通常是250-500)掃描由ITV攝像機(jī)3發(fā)出的圖像信號(hào)。這些掃描線被稱為S1、S2、S3-Si-Sr，按圖像信號(hào)的掃描次序是由左向右。
當(dāng)ITV攝像機(jī)3拾取到模型1的光學(xué)圖像后，便會(huì)輸出如圖24所顯示的輸出信號(hào)。如圖24所示，輸出方式是先輸出圖像平面開始信號(hào)VBL(以下被稱為垂直同步信號(hào))，跟著輸出水平掃描開始信號(hào)(以下稱為水平同步信號(hào))，再跟著，以一固定時(shí)間ta在掃描線S1上掃描具有亮暗的光學(xué)圖像的圖像信號(hào)。第一次掃描完成后，第二水平同步信號(hào)HBL便會(huì)輸出，并在掃描線S2上掃描圖像信號(hào)之后，重復(fù)對(duì)圖像信號(hào)的掃描直至掃描線Sr，從而完成一圖像平面。
圖25顯示控制電路的方塊圖。該控制電路是利用ITV攝像機(jī)3來獲取圖23中光點(diǎn)Pi對(duì)應(yīng)Y軸及Z軸的座標(biāo)(Xi，Yi，Zi)。在圖25中，3是攝像機(jī)，109是一同步分離電路，其中對(duì)應(yīng)模型1的光學(xué)圖像的圖像信號(hào)是S，它與水平同步信號(hào)HBL及垂直同步信號(hào)VBL一齊輸入的，并從HBL和VBL中分離出來。模型1的光學(xué)圖像是由剖面光90a照射，并由ITV攝取而獲得的。
101表示一計(jì)數(shù)器。該計(jì)數(shù)器有一計(jì)數(shù)輸入端(IN)，它與水平同步分離電路109發(fā)出的水平同步信號(hào)HBL相藕合。101另有一置0端(Reset)，它與垂直同步信號(hào)VBL相藕合。計(jì)數(shù)器101由垂直同步信號(hào)VBL置0，垂直同步信號(hào)是在掃描一圖像平面之前產(chǎn)生的。計(jì)數(shù)器計(jì)算水平同步信號(hào)HBL的數(shù)目，其中每個(gè)信號(hào)HBL是在開始掃描掃描線S1-Sr中每一根之前產(chǎn)生的。計(jì)數(shù)器101的計(jì)數(shù)值表示掃描線的數(shù)目，ITV攝像機(jī)掃描這些掃描線，并產(chǎn)生視頻信號(hào)。
102代表一振蕩電路，該電路以時(shí)間間隔為ta/m連續(xù)輸出一脈沖，而ta/m是由m等分掃描一掃描線所要的時(shí)間。振蕩電路102產(chǎn)生的脈沖是由一計(jì)數(shù)器計(jì)算，該計(jì)數(shù)器由水平同步信號(hào)HBL置0。計(jì)數(shù)器103對(duì)這些脈沖計(jì)數(shù)直至產(chǎn)生出下一條掃描線的水平同步信號(hào)HBL為止。因而可得ITV攝像機(jī)的圖像平面上的掃描點(diǎn)。由計(jì)數(shù)器103計(jì)數(shù)的脈沖數(shù)是通過一門電路存儲(chǔ)于存儲(chǔ)電路107內(nèi)。
ITV攝像機(jī)3的圖像信號(hào)已在同步分離電路109中自垂直同步信號(hào)VBL及水平同步信號(hào)HBL中分離出來，數(shù)字化電路108用一預(yù)定信號(hào)水平Ka(圖23)作為參考電平，將該圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有一亮“1”和一暗“0”兩值的數(shù)字信號(hào)(以下稱數(shù)字化信號(hào))，因此模型1的外表面的明亮剖面光學(xué)圖像部份用“1”表示，而其他部份用“0”表示。該數(shù)字化信號(hào)是加至門電路104及105的各門轉(zhuǎn)換控制端N，而門電路104及105是只有在數(shù)字化信號(hào)為“1”時(shí)才關(guān)閉，從而將計(jì)數(shù)器101及103中的信息分別存入存儲(chǔ)電路106及107中。故當(dāng)拾取模型1的光學(xué)圖像時(shí)，掃描線的數(shù)字(計(jì)數(shù)器101的信息)及某一掃線的位置(計(jì)數(shù)器103的信息)存儲(chǔ)起來?，F(xiàn)假設(shè)存儲(chǔ)電路106中的信息是△Yi而存儲(chǔ)電路107中的信息是△Zi。
并且，在可能的情況下，是會(huì)有多個(gè)的△Yi及△Zi供給一條掃描線的。因而所有這些△Yi-△Yip及△Zi-△Zip都是存儲(chǔ)于存儲(chǔ)電路106及107中。因可能在一條掃描線中有多個(gè)光剖面光學(xué)圖像的光點(diǎn)，因此，對(duì)△Yi信息及△Zi信息的監(jiān)定是與剖面光90a1-90a10的照明指令相同步的，照明指令隨后由計(jì)算機(jī)110加至光剖面照射裝置90。參考22A，△Yi和△Zi的獲得使模型1的Pi點(diǎn)的X座標(biāo)及Y座標(biāo)(Xi，Yi)可由下列方法獲得。
圖22A及22B所示的Pi點(diǎn)是
AQ線段及線段Z＝ZL的交點(diǎn)。而Xi是由下列公式求得Z＝ZL
其中
GQG點(diǎn)與Q點(diǎn)間之間的距離。
LZ軸與ITV攝像機(jī)鏡頭的中心點(diǎn)的距離。
ZL剖面光90a2之間的距離。
在公式(14)的
GQ可由下列公式求得GQ＝Ltan(α+γ- (α)/(m) ·△Zi) ……(15)其中αITV攝像機(jī)之視角。
γ由ITV攝像機(jī)的底角與X軸所構(gòu)成的角度。
m抽樣時(shí)間Yi由下列公式求得Yi＝(L-Xi)tan( (α)/2 - (α)/(n) ·△yi) ……(16)其中n在一個(gè)圖像平面的掃描線總數(shù)。
Xi由公式(14)及(15)中得出來的值公式(14)、(15)及(16)的運(yùn)算是由微型計(jì)算機(jī)110執(zhí)行，而運(yùn)算結(jié)果也被存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器111中。
當(dāng)所有與ITV攝像機(jī)3的圖像平面有關(guān)的X及Y座標(biāo)(Xi，Yi)都計(jì)算完，而其結(jié)果也被存儲(chǔ)后，為了完成上面所述的運(yùn)算。在圖22A中所表示的齒板4是由步進(jìn)電機(jī)(圖中未所示)以剖面光的厚度△h長度步進(jìn)驅(qū)動(dòng)的，而該齒板4是由以剖面光間隔△h移動(dòng)。
以上已完成的是測量裝置包括ITV攝像機(jī)的說明。當(dāng)模型1的整體周邊的立體測量被指定后，復(fù)式ITV攝像機(jī)3自模型1的Z軸中被安放在相等的距離上，并與測量裝置配合部分聯(lián)結(jié)，因而獲得一致的△Yi及△Zi信息。與每一攝像機(jī)有關(guān)的△Yi及△Zi的相應(yīng)數(shù)據(jù)則被輸入到微型計(jì)算機(jī)110中計(jì)算相對(duì)應(yīng)的座標(biāo)(Xi，Yi)，而計(jì)算結(jié)果也被存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器111中。
這樣模型1的整個(gè)周邊的三維測量法便完成。接著，復(fù)式ITV攝像機(jī)便產(chǎn)生多個(gè)影像平面，而多個(gè)的影像平面便導(dǎo)致每一個(gè)影像平面與鄰近的影像平面之間有重疊的部分出現(xiàn)。但是，這些重疊部分可以通過預(yù)先調(diào)整好的每一個(gè)ITV攝像機(jī)的影像攝取而加以排除。例如，n個(gè)ITV攝像機(jī)被某間隔地安放在模型1的周圍時(shí)，影像攝取范圍可以在對(duì)于Z軸±360/2n的范圍內(nèi)隨意調(diào)整至每一ITV攝像機(jī)3的光軸上。
還有，在本實(shí)施方案中，為了簡化操作程序，所有ITV攝像機(jī)都被移動(dòng)到Z軸的同一水平的位置上。
下面，將根據(jù)從模型1的三維影像所得到的點(diǎn)(Xi，Yi)來說明產(chǎn)生或復(fù)制模型1的三維影像的情況。
現(xiàn)在假設(shè)ITV攝像機(jī)31-3n的多數(shù)的掃描線分別為1Si-nsi，而剖面光帶座標(biāo)90a1-90a10是與掃描線1Si有關(guān)的，存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器111中的是(Xi90a1，Yi90a10)1Si-(Xi90a1，Yi90a10)1Si。在這實(shí)施方案中，如圖26所示，10個(gè)NC激光切割器1501-15010是用作片面切割的，該切割器形成了一個(gè)工作系統(tǒng)，而該系統(tǒng)是受接連于這些切割器上的微型計(jì)算器111中的NC指令所控制的。當(dāng)一厚度為△h的片材被設(shè)定后，在每一個(gè)激光切割器1501-15010里，上述的座標(biāo)指令(Xi90a1，Yi90a10)1S1-(Xi90a10，Yi90a10)1S1，亦應(yīng)用于每個(gè)切割器中，且分別地開始，切割那些片材。接著，應(yīng)用于激光切割器1501-15010的系數(shù)指令(Xi90a1，Yi90a1)1S2-(Xi90a10，Yi90a10)1S2。亦分別地執(zhí)行相應(yīng)的切割工作。這樣的操作重覆地進(jìn)行，直至座標(biāo)指令(Xi90a10，Yi90a10)1Sr執(zhí)行為止。當(dāng)有關(guān)ITV攝像機(jī)31的NC切割工作完成后，根據(jù)座標(biāo)指令(Xi90a1，Yi90a1)2S1-(Xi90a10，Yi90a10)2Sr而進(jìn)行的NC切割工作也為ITV攝像機(jī)32而執(zhí)行。類似的切割工作重覆地執(zhí)行直至ITV攝像機(jī)3n操作完成為止。這樣，在第一測定點(diǎn)上的每一個(gè)厚度△h的樣版都具有與有關(guān)每個(gè)剖面光平面90a1-90a10的模型截面圖像相同的影像。在接著的第二測量位置進(jìn)行處理。這樣的測定處理程序、重復(fù)預(yù)定的次數(shù)以提供與有關(guān)模型的所有截面影像相對(duì)應(yīng)的模板。
將形成的模板順著測量次序堆疊，例如，使用粘合劑進(jìn)行固定，使模型容易地被復(fù)制。根據(jù)此實(shí)施方案，一個(gè)高速的操作程序能夠?qū)崿F(xiàn)，這是由于一組復(fù)式剖面光被安排以照射模型的Z軸，因此，該種剖面光源能以一個(gè)距離移動(dòng);同時(shí)，剖面光照射的時(shí)間亦可減少。還有，ITV攝像機(jī)的掃描線是被安排在一個(gè)垂直的方向上，因此，當(dāng)與水平方向比較時(shí)，垂直方向上的解像力便能夠提高一倍或一倍以上，從改善了在垂直方向上延伸的模型，例如人體的測量精確度。
另外，為了簡化操作程序，雖然在此實(shí)施方案中，所有的ITV攝像機(jī)都在Z軸上同一水平上轉(zhuǎn)動(dòng)，但這并不是必不可少的必要條件。例如通過一個(gè)編碼器而將測量到的每一ITV攝像機(jī)的高度，通過一編碼器加至一微計(jì)算機(jī)，則再一個(gè)ITV攝像機(jī)所提供的數(shù)據(jù)(Xi，Yi)應(yīng)有同樣的高度。放大或縮小可由NC切割器切割的片材厚度可為N△h或△h/N，那麼只需將數(shù)據(jù)(Xi，Yi)乘N或1/N即可，這樣便可對(duì)該模型的形狀以任何尺寸放大或縮小。
圖27為本發(fā)明第六實(shí)施方案的側(cè)視圖，其中ITV攝像機(jī)3在這里是固定的。而只有激光照射裝置2是可移動(dòng)的。當(dāng)移動(dòng)激光照射裝置2時(shí)，會(huì)形成由ITV攝像機(jī)3的光學(xué)軸X-Y軸系統(tǒng)平面所形成的β角度也改變。因此，當(dāng)構(gòu)成光剖面時(shí)，由于激光照射裝置移動(dòng)所導(dǎo)致β的改變便需要更正。
圖28A及圖28B為本發(fā)明的第七個(gè)實(shí)施方案的前視圖及側(cè)視圖，在這里是用一盞白熾燈120代替激光照射裝置。在此實(shí)施方案中，提供了一個(gè)上蓋121圍繞模型1，模型1的亮和暗部份122及123由ITV攝像機(jī)3攝取，產(chǎn)生如圖4所示的圖像信號(hào)、視頻信號(hào)的處理程序是與此發(fā)明的第一個(gè)方案相同，這是為了獲得一個(gè)光剖面。最后，圖31A及圖31B為此發(fā)明的第八個(gè)實(shí)施方案的側(cè)視圖和前視圖，在這里ITV攝像機(jī)3被安放在模型1之上，即是在Z軸上，在此實(shí)施方案中，被剖面光照射裝置所照射的模型1是ITV攝像機(jī)3所拾取的圖像，從而產(chǎn)生一如圖32所示的光學(xué)圖像130。該圖像信號(hào)與如圖33所示的光學(xué)圖像相對(duì)應(yīng)。此影像信號(hào)是受到如第一實(shí)施方案中相同數(shù)據(jù)處理而提供一光剖面。
權(quán)利要求
1.一從具有三維形狀的物體產(chǎn)生三維形狀的方法，其特征為包括以下的步驟把具有預(yù)定寬度的平行光線照射到所說物件的外圍；通過一個(gè)二維圖像檢拾裝置檢拾被照射物體的一光學(xué)圖像，這時(shí)，檢拾裝置的光軸以一預(yù)定角度與由所說平行光線形成的光面相交；根據(jù)檢拾的光學(xué)圖像形狀，測量對(duì)應(yīng)所說光學(xué)圖像的所說物體的截面形狀；垂直移動(dòng)平行光線和二維圖像檢拾裝置一平行光線的寬度，依次測量物體相鄰截面的形狀。測量了整個(gè)物體的截面后，以片材制成對(duì)應(yīng)于所測定的截面形狀的模板；并將所說的模板堆疊以制造一等價(jià)于或類似的所說物體的三維形狀。
2.權(quán)利要求
1所述的一產(chǎn)生三維形狀的方法，其特征為，所說平行光線是激光剖面光線。
3.權(quán)利要求
1所述的一產(chǎn)生三維形狀的方法，其特征為，所說平行光線是激光光束。
4.一用于從一具有三維形狀的物體產(chǎn)生出一三維形狀的裝置，其特征包括用于把平行光線以一固定水平方向照射到所說物體上的裝置;用于檢拾照射到所說物體上的光線的裝置;用于從圖像檢拾裝置所檢拾的光學(xué)圖像中測定截面形狀的裝置;用于根據(jù)所說截面形狀，以所說截面形狀對(duì)應(yīng)于片材厚度的方式，將片材制成模板的裝置;用于在垂直方向上移動(dòng)所說光照射裝置和所說圖像拾取裝置的裝置，從而形成與整個(gè)物體相對(duì)應(yīng)的模板，產(chǎn)生一等于或相似于物體的三維形狀。
5.權(quán)利要求
4所述的一用于產(chǎn)生三維形狀的裝置，其特征為，所說光照射裝置是用于照射激光剖面光的裝置。
6.權(quán)利要求
4所述的一用于產(chǎn)生三維形狀的裝置，其特征為，所說光照射裝置是用于照射激光光束的裝置。
7.權(quán)利要求
4所述的一用于產(chǎn)生三維形狀的裝置，其特征為，所說圖像拾取裝置是一1TV攝像機(jī)，它是一二維圖像拾取裝置，所說用于測定截面形狀的裝置根據(jù)在1TV攝像機(jī)上的掃描線的線號(hào)和某一掃描期間內(nèi)的時(shí)間進(jìn)行測定。
8.權(quán)利要求
4所述一用于產(chǎn)生三維形狀的裝置，其特征為，所說圖像拾取裝置是一個(gè)一維線傳感攝像機(jī)，這種攝像機(jī)是一個(gè)一維圖像拾取裝置，而所說用于測定截面形狀的裝置是用于檢測一維線感攝像機(jī)輸出元件的裝置。
9.權(quán)利要求
4所述的一用于產(chǎn)生三維形狀的裝置，其特征為，所說圖像檢拾裝置是一光點(diǎn)檢測(PSD)傳感器，該傳感器是一二維圖像拾取裝置，而所說用于測定截面形狀裝置是用于檢測光點(diǎn)檢測傳感器中電荷量的裝置。
10.權(quán)利要求
4所述的一用于產(chǎn)生三維形狀的裝置，其特征為，裝備有多個(gè)所說的光照射裝置，這些裝置將眾多光線照射到物體上。
11.權(quán)利要求
4所述的一用于產(chǎn)生三維形狀的裝置，其特征為，所說圖像拾取部件具有改變所說物體的圖像拾取位置的能力。
12.權(quán)利要求
4所述的一用于產(chǎn)生三維形狀的裝置，其特征為，所說圖像拾取裝置是固定的。
13.權(quán)利要求
4所述的一用于產(chǎn)生三維形狀的裝置，其特征為，所說光照射裝置是一白熾燈。
14.權(quán)利要求
4所述的一用于產(chǎn)生三維形狀的裝置，其特征為，所說形狀拾取裝置安裝在所說物體的正上方，其方向則垂直于由所說光照射裝置所照射的光線方向。
15.權(quán)利要求
7所述的一用于產(chǎn)生三維形狀的裝置，其特征為，所說掃描線的線號(hào)和某一掃描線期間內(nèi)的持續(xù)時(shí)間分別從水平掃描信號(hào)和開始信號(hào)計(jì)算。
16.一用于從具有三維形狀的物體產(chǎn)生三維形狀的裝置包括以一微角旋轉(zhuǎn)所說物體的裝置;一具有把激光光束掃描在所說物體上以組成一光束面能力的光束照射裝置。一以一定距離和一定角度固定在所說光束照射裝置上的二維圖像拾取裝置，它用于拾取照射到物體上的激光光束的光點(diǎn)。一用于計(jì)算由拾取裝置所拾取到所說物體每分角度所說物體的每一微角內(nèi)的光點(diǎn)位置的裝置，該裝置還用于計(jì)算平行所說光束面的物體截面形狀;一用于以某一厚度的片材，以預(yù)定比例根據(jù)所說截面形狀模板的裝置;和用于把所說模板堆疊以預(yù)定比例產(chǎn)生所說物體的三維形狀的裝置。
17.權(quán)利要求
16所述的一用于從一具有三維形狀的物體產(chǎn)生一三維形狀的裝置，其特征為，所說旋轉(zhuǎn)裝置是一轉(zhuǎn)軸狀態(tài)編碼器，它是用于檢測旋轉(zhuǎn)角度的。
專利摘要
在一用于從一具有三維形狀的物體產(chǎn)生一等于或相似于該三維形狀的裝置和方法中，激光光線照射到物體上。激光光線的光點(diǎn)由一圖像拾取器拾取，而光點(diǎn)的二維位置則在物體的垂直的方向上對(duì)每一微距求得，從而產(chǎn)生三維形狀。
文檔編號(hào)B23Q35/128GK85102933SQ85102933
公開日1986年3月10日 申請日期1985年4月17日
發(fā)明者岡田愿介, 飯島剛平 申請人:川崎重工業(yè)株式會(huì)社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan