專利名稱：三維測(cè)量裝置和三維測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維測(cè)量裝置，更具體地，涉及使得即使在多個(gè)被測(cè)點(diǎn)彼此重疊時(shí)也可以精確地執(zhí)行對(duì)各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的三維測(cè)量的三維測(cè)量裝置和三維測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
常規(guī)上，已知一種使用利用多個(gè)CCD攝像機(jī)的立體視(stereoview)原理的三維測(cè)量方法。根據(jù)該常規(guī)技術(shù)，需要在從不同方向記錄的圖像之間對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行匹配，并且對(duì)這些圖像的處理復(fù)雜且模糊。
圖7是被設(shè)計(jì)以解決上述常規(guī)問(wèn)題的三維測(cè)量裝置的示意性結(jié)構(gòu)圖。三維測(cè)量裝置100通過(guò)由電機(jī)30旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)裝置(gear)31來(lái)使得旋轉(zhuǎn)筒33旋轉(zhuǎn)，從而使裝配到旋轉(zhuǎn)筒33的前端的鏡34和35旋轉(zhuǎn)。利用這種布置，攝像機(jī)32記錄被測(cè)點(diǎn)37的圓形軌跡(streak)圖像36。圖8是根據(jù)另一方法的三維測(cè)量裝置的示意性結(jié)構(gòu)圖。三維測(cè)量裝置200使用電機(jī)(未示出)通過(guò)傳動(dòng)裝置41來(lái)使旋轉(zhuǎn)筒42旋轉(zhuǎn)，從而使按一角度裝配到旋轉(zhuǎn)筒42的前端的反射器43旋轉(zhuǎn)。利用這種布置，攝像機(jī)40記錄被測(cè)點(diǎn)44的圓形軌跡圖像45。通過(guò)根據(jù)到測(cè)量點(diǎn)的距離適當(dāng)?shù)厥褂萌S測(cè)量裝置100和200，可以在測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量少并且測(cè)量點(diǎn)的移動(dòng)速度低時(shí)令人滿意地執(zhí)行三維測(cè)量。三維測(cè)量裝置100被授權(quán)為日本專利第3346662號(hào)。
然而，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)的移動(dòng)速度快時(shí)，如圖9所示，測(cè)量點(diǎn)的軌跡圖像變成螺旋形。在該螺旋形移動(dòng)軌跡中，螺旋形軌跡的大小變化和螺距(pitch)對(duì)應(yīng)于三維速度信息。當(dāng)可以對(duì)該關(guān)系進(jìn)行分析時(shí)，可以同時(shí)獲得位置的三個(gè)分量和速度的三個(gè)分量。然而，根據(jù)常規(guī)裝置，很難在測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量大的情況下對(duì)重疊軌跡進(jìn)行分析。
通過(guò)使系統(tǒng)按比測(cè)量點(diǎn)的移動(dòng)速度快得足夠多的速度旋轉(zhuǎn)，可以近似地對(duì)圓形軌跡進(jìn)行分析。然而，希望并非近似的對(duì)螺旋形圖像的精確分析。
鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種三維測(cè)量裝置，其即使在存在大量圓形軌跡圖像時(shí)也可以通過(guò)同時(shí)記錄被測(cè)點(diǎn)的圓形軌跡圖像和直線軌跡圖像來(lái)對(duì)三維圖像進(jìn)行有效分析。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的權(quán)利要求1提供了一種三維測(cè)量裝置，其執(zhí)行對(duì)被測(cè)點(diǎn)的三維測(cè)量，所述三維測(cè)量裝置包括圖像形成單元，其可以檢測(cè)至少兩種顏色；分束器，其對(duì)從多個(gè)路徑入射的光圖像進(jìn)行合成；鏡，其使所述被測(cè)點(diǎn)的光圖像的成像位置滑動(dòng)預(yù)定的距離；著色單元，其對(duì)入射到所述分束器的一路徑的光圖像施加預(yù)定的顏色；旋轉(zhuǎn)單元，其使所述分束器和所述鏡按預(yù)定的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)；以及計(jì)算單元，其基于通過(guò)所述圖像形成單元記錄的光圖像來(lái)計(jì)算所述被測(cè)點(diǎn)的三維位置。
根據(jù)本發(fā)明，使用分束器以使得可以同時(shí)記錄直線軌跡圖像(被測(cè)點(diǎn)的直接圖像)和常規(guī)的圓形軌跡圖像。此外，直線軌跡圖像入射到的分束器表面裝配有彩色膜，由此對(duì)入射的光圖像進(jìn)行著色。因此，通過(guò)對(duì)這些圖像進(jìn)行處理可以分別地識(shí)別圓形軌跡圖像和直線軌跡圖像。所述三維測(cè)量裝置進(jìn)一步包括計(jì)算單元，該計(jì)算單元基于圖像形成單元記錄的圓形軌跡圖像和直線軌跡圖像來(lái)計(jì)算三維位置。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)使用分束器，可以合成地記錄常規(guī)的圓形軌跡圖像和經(jīng)著色的直線軌跡圖像，可以指定許多重疊的圓形軌跡圖像。因此，可以有效地分析三維圖像。
權(quán)利要求2提供了該三維測(cè)量裝置，其中所述計(jì)算單元從所述圖像形成單元獲得經(jīng)過(guò)了所述著色單元的所述被測(cè)點(diǎn)的直線軌跡圖像以及來(lái)自所述旋轉(zhuǎn)單元使其旋轉(zhuǎn)的所述鏡的圓形軌跡圖像，由此計(jì)算所述被測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)方向以及到所述被測(cè)點(diǎn)的距離，并且由此測(cè)量所述被測(cè)點(diǎn)的三維位置和移動(dòng)速度。
圖像形成單元檢測(cè)經(jīng)著色直線軌跡圖像以及圓形軌跡圖像。例如，具有三基色CDD的彩色攝像機(jī)檢測(cè)經(jīng)著色直線軌跡圖像和被測(cè)點(diǎn)的圓形軌跡圖像。計(jì)算單元用PC等來(lái)檢測(cè)圖像信號(hào)，使用直線軌跡圖像來(lái)計(jì)算被測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)距離和方向，并且使用圓形軌跡圖像計(jì)算到被測(cè)點(diǎn)的距離。計(jì)算單元可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果獲得被測(cè)點(diǎn)的三維位置。
根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)閳D像形成單元檢測(cè)經(jīng)著色直線軌跡圖像和圓形軌跡圖像，所以計(jì)算單元可以根據(jù)直線軌跡圖像計(jì)算被測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)距離和方向，并且根據(jù)圓形軌跡圖像計(jì)算到被測(cè)點(diǎn)的距離。計(jì)算單元可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果獲得被測(cè)點(diǎn)的三維位置并且同時(shí)識(shí)別各個(gè)被測(cè)點(diǎn)。
權(quán)利要求3提供了該三維測(cè)量裝置，其中所述計(jì)算單元根據(jù)所述圖像形成單元記錄的所述直線軌跡圖像來(lái)獲得所述圓形軌跡圖像的中心，并且提取與所述中心對(duì)應(yīng)的圓形軌跡圖像，由此使得可以從多個(gè)圓形軌跡圖像中識(shí)別出特定的圓形軌跡圖像。
當(dāng)大量圓形軌跡圖像重疊時(shí)，為了識(shí)別各個(gè)圓形軌跡圖像，首先通過(guò)彩色圖像處理來(lái)識(shí)別圓形軌跡圖像的中心，并且提取與所述中心對(duì)應(yīng)的圓形軌跡圖像。利用這種設(shè)置，即使當(dāng)在圖像中存在大量圓形軌跡時(shí)，也可以有效地執(zhí)行分析。
根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)圖像形成單元記錄的直線軌跡圖像來(lái)獲得圓形軌跡圖像的中心，由此提取與所述中心對(duì)應(yīng)的圓形軌跡圖像。利用這種設(shè)置，即使當(dāng)在圖像中存在大量圓形軌跡時(shí)，也可以有效地執(zhí)行分析。
權(quán)利要求4提供了該三維測(cè)量裝置，其中所述鏡與所述分束器之間的距離可以改變以使得可以調(diào)節(jié)所述圓形軌跡圖像的偏移量。
因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)改變鏡與分束器之間的距離來(lái)改變圖像的偏移量，所以可以根據(jù)對(duì)象的距離來(lái)執(zhí)行測(cè)量。例如，當(dāng)鏡固定于分束器時(shí)，當(dāng)被測(cè)點(diǎn)很遠(yuǎn)時(shí)偏移量變小。這使得不能執(zhí)行測(cè)量。在此情況下，通過(guò)增大鏡與分束器之間的距離，偏移量增大并且可以執(zhí)行測(cè)量。
根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)榭梢愿淖冪R與分束器之間的距離，所以可以基于被測(cè)點(diǎn)的距離來(lái)調(diào)節(jié)圓形軌跡圖像的偏移量。
權(quán)利要求5提供了該三維測(cè)量裝置，其中，當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)單元是基于脈沖的相位差而旋轉(zhuǎn)的脈沖電機(jī)時(shí)，所述計(jì)算單元分別計(jì)算所述脈沖電機(jī)在所述圓形軌跡圖像的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角，由此檢測(cè)所述圓形軌跡圖像的所述起始點(diǎn)的位置和所述結(jié)束點(diǎn)的位置。
為了分析螺旋形軌跡，脈沖電機(jī)在要對(duì)其進(jìn)行圖像形成的軌跡的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角是必要的。在脈沖電機(jī)的Z相位將計(jì)數(shù)器復(fù)位到零，并且該計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。將產(chǎn)生圖像信號(hào)的垂直同步信號(hào)時(shí)的計(jì)數(shù)器輸出讀取到個(gè)人計(jì)算機(jī)中。利用這種設(shè)置，可以檢測(cè)螺旋的描繪起始位置(方向)和描繪結(jié)束位置(方向)。檢測(cè)到的信息可以用于對(duì)螺旋的自動(dòng)分析。
根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)旋轉(zhuǎn)單元是脈沖電機(jī)時(shí)，計(jì)算單元計(jì)算脈沖電機(jī)在圓形軌跡圖像的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角。因此，可以檢測(cè)螺旋的描繪起始位置(方向)和描繪結(jié)束位置(方向)。檢測(cè)到的信息可以用于對(duì)螺旋的自動(dòng)分析。
權(quán)利要求6提供了一種對(duì)被測(cè)點(diǎn)進(jìn)行三維測(cè)量的三維測(cè)量方法，所述方法包括圖像形成單元，其可以檢測(cè)至少兩種顏色；分束器，其對(duì)從多個(gè)路徑入射的光圖像進(jìn)行合成；鏡，其使所述被測(cè)點(diǎn)的光圖像的像聚焦位置滑動(dòng)預(yù)定的距離；著色單元，其對(duì)入射到所述分束器的一路徑的光圖像施加預(yù)定顏色；旋轉(zhuǎn)單元，其使所述分束器和所述鏡按預(yù)定的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)；以及計(jì)算單元，其基于所述圖像形成單元記錄的光圖像來(lái)計(jì)算所述被測(cè)點(diǎn)的三維位置，其中，所述計(jì)算單元從所述圖像形成單元獲得經(jīng)過(guò)了所述著色單元的所述被測(cè)點(diǎn)的直線軌跡圖像、以及來(lái)自所述旋轉(zhuǎn)單元使其旋轉(zhuǎn)的所述鏡的圓形軌跡圖像，以計(jì)算所述被測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)方向和到所述被測(cè)點(diǎn)的距離，由此測(cè)量所述被測(cè)點(diǎn)的三維位置和移動(dòng)速度。
通過(guò)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)與根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的操作效果相同的操作效果。
權(quán)利要求7提供了該三維測(cè)量方法，其中，所述計(jì)算單元根據(jù)所述圖像形成單元記錄的所述直線軌跡圖像來(lái)獲得所述圓形軌跡圖像的中心，并且提取與所述中心對(duì)應(yīng)的圓形軌跡圖像，由此使得可以從多個(gè)圓形軌跡圖像中識(shí)別出特定的圓形軌跡圖像。
通過(guò)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)與根據(jù)權(quán)利要求3所述的操作效果相同的操作效果。
權(quán)利要求8提供了該三維測(cè)量方法，其中，改變所述鏡與所述分束器之間的距離以使得可以改變所述圓形軌跡圖像的偏移量。
通過(guò)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)與根據(jù)權(quán)利要求4所述的操作效果相同的操作效果。
權(quán)利要求9提供了該三維測(cè)量方法，其中，當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)單元是基于脈沖的相位差而旋轉(zhuǎn)的脈沖電機(jī)時(shí)，所述計(jì)算單元分別計(jì)算所述脈沖電機(jī)在所述圓形軌跡圖像的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角，由此檢測(cè)所述圓形軌跡圖像的所述起始點(diǎn)的位置和所述結(jié)束點(diǎn)的位置。
通過(guò)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)與根據(jù)權(quán)利要求5所述的操作效果相同的操作效果。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的三維測(cè)量裝置的主要部件的結(jié)構(gòu)的透視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的三維測(cè)量裝置的整體結(jié)構(gòu)的框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的與中心線上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的螺旋的相位圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的目標(biāo)直線軌跡Q上的點(diǎn)與螺旋軌跡P上的與軌跡Q上的該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)之間(對(duì)應(yīng)相位方向上的點(diǎn)c和j之間)的距離的分布圖；圖5(a)是被測(cè)點(diǎn)的距離與軌跡圖像之間的關(guān)系的說(shuō)明圖；圖5(b)是鏡位置與軌跡圖像之間的關(guān)系的說(shuō)明圖；圖6是由根據(jù)本發(fā)明的三維測(cè)量裝置的測(cè)試單元進(jìn)行圖像形成的流體中的示蹤粒子(tracer particle)的像的圖；圖7是常規(guī)三維測(cè)量裝置的示意性結(jié)構(gòu)圖；圖8是根據(jù)另一方法的常規(guī)三維測(cè)量裝置的示意性結(jié)構(gòu)圖；以及圖9是示出測(cè)量點(diǎn)的軌跡圖像變成螺旋形軌跡的圖。
具體實(shí)施例方式
以下通過(guò)附圖中示出的實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。注意，除非另外指定，否則根據(jù)實(shí)施例的組成部件、種類、組合、形狀、以及相對(duì)位置并非旨在限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例僅僅用于說(shuō)明的目的。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的三維測(cè)量裝置的相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)的透視圖。三維測(cè)量裝置50包括由三基色CCD構(gòu)成的3CCD攝像機(jī)(圖像形成單元)(此后，簡(jiǎn)稱為攝像機(jī))11；立方體分束器(此后，簡(jiǎn)稱為分束器)12，其對(duì)從多個(gè)路徑入射的光圖像進(jìn)行合成；鏡14，其使被測(cè)點(diǎn)18的光圖像的圖像形成位置偏移預(yù)定距離；紅色濾色器(著色單元)13，其對(duì)入射到分束器12的一路徑的光圖像施加預(yù)定顏色；電機(jī)(未示出)，其使分束器12和鏡14沿箭頭17的方向旋轉(zhuǎn)；以及PC(未示出)，其基于攝像機(jī)11記錄的光圖像來(lái)計(jì)算被測(cè)點(diǎn)18的三維位置。雖然將紅色濾色器13用作著色單元，但是也可以使用其他顏色。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可以與這里說(shuō)明的方向相反。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的三維測(cè)量裝置的整體結(jié)構(gòu)的框圖。對(duì)與圖1中的組成部件相同的組成部件分配相同的標(biāo)號(hào)，并且省略重復(fù)的說(shuō)明。在該結(jié)構(gòu)中，分束器12和鏡14集成到旋轉(zhuǎn)筒62中，并且通過(guò)電機(jī)(旋轉(zhuǎn)單元)61圍繞攝像機(jī)11的光軸15沿箭頭17的方向旋轉(zhuǎn)。PC(計(jì)算單元)60檢測(cè)攝像機(jī)11記錄的圖像，并且對(duì)圖像進(jìn)行處理。PC 60還控制對(duì)電機(jī)61的旋轉(zhuǎn)角的檢測(cè)。
下面參照?qǐng)D2來(lái)說(shuō)明根據(jù)本實(shí)施例的三維測(cè)量裝置的概要操作。分束器12和鏡13集成在一起，并且以高速(例如，3,600r/min)圍繞攝像機(jī)11的光軸15旋轉(zhuǎn)。使用高速中空軸脈沖電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)分束器12和鏡13的集成組合。攝像機(jī)11并入在中空軸脈沖電機(jī)的中空部分內(nèi)，由此使系統(tǒng)小型化。通過(guò)光軸15使得鏡14反射并經(jīng)圖像形成的光16偏移。因此，該光與通過(guò)常規(guī)裝置形成的光相似地形成圓形(螺旋形)軌跡。直接前進(jìn)經(jīng)過(guò)分束器12的光19形成表示圓形軌跡的中心的點(diǎn)(直線)。直接前進(jìn)經(jīng)過(guò)分束器12的光19通過(guò)濾色器13。彩色攝像機(jī)11對(duì)該光進(jìn)行圖像形成，以使得可以通過(guò)該光的顏色來(lái)容易地識(shí)別該光。換言之，如圖3所示，被測(cè)點(diǎn)18被圖像形成為基于圓形偏移的圓形(當(dāng)移動(dòng)很快時(shí)為螺旋形)軌跡P與表示二維位置(移動(dòng))的直線軌跡Q的組合。可以通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行顏色處理而容易地識(shí)別這兩種軌跡。可以基于螺旋形軌跡P的卷繞方向來(lái)識(shí)別表示軌跡中心的直線軌跡Q的方向(稍后詳細(xì)說(shuō)明)。
當(dāng)將脈沖電機(jī)用作所述電機(jī)來(lái)分析螺旋形軌跡時(shí)，脈沖電機(jī)在經(jīng)圖像形成的軌跡的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角是必需的。在脈沖電機(jī)的Z相位將計(jì)數(shù)器復(fù)位到零。接著，該計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。PC 60讀取產(chǎn)生圖像信號(hào)的垂直同步信號(hào)時(shí)的計(jì)數(shù)器輸出，由此檢測(cè)螺旋的描繪起始位置(方向)和描繪結(jié)束位置(方向)。檢測(cè)到的值成為自動(dòng)對(duì)螺旋進(jìn)行分析所使用的信息。
圖3是與中心線上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的螺旋的相位圖。可以基于螺旋形軌跡的卷繞方向來(lái)識(shí)別表示軌跡中心的直線軌跡Q的方向。換言之，當(dāng)分束器12和鏡14的旋轉(zhuǎn)方向是逆時(shí)針?lè)较驎r(shí)，記錄圖像上的螺旋形軌跡為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。因此，顯然被測(cè)點(diǎn)18從圖3中的左邊(a)移到右邊(b)。PC 60首先基于標(biāo)記處理來(lái)識(shí)別表示軌跡中心的直線軌跡Q，并且基于對(duì)應(yīng)的螺旋形軌跡P來(lái)測(cè)量被測(cè)點(diǎn)18的三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在裝置一次旋轉(zhuǎn)的短時(shí)間內(nèi)，可以假設(shè)被測(cè)點(diǎn)(示蹤粒子)18基本上恒速運(yùn)動(dòng)?？紤]到裝置也按恒速旋轉(zhuǎn)的事實(shí)，可以將與表示中心的直線軌跡Q上的各個(gè)交點(diǎn)(c到j(luò))對(duì)應(yīng)的螺旋形軌跡的相位確定為如圖3所示。換言之，當(dāng)圖3中的表示中心的直線軌跡Q上的點(diǎn)從點(diǎn)a移到點(diǎn)b時(shí)，該點(diǎn)在螺旋形軌跡上按0、1、2、…、7、和(8)的方向移動(dòng)。
圖4是目標(biāo)直線軌跡Q上的點(diǎn)與螺旋形軌跡P上的對(duì)應(yīng)于軌跡Q上的此點(diǎn)的點(diǎn)之間(在對(duì)應(yīng)相位方向上的點(diǎn)c與j之間)的距離的分布圖?？v軸表示從中心線Q到軌跡P的距離，橫軸表示中心線Q上的點(diǎn)。沿著目標(biāo)直線軌跡P提取的軌跡變成圖中的直線X。軌跡A和軌跡B變成圖中的橢圓。因此，即使當(dāng)許多軌跡重疊時(shí)，也可以有效地提取螺旋，并且可以分析三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。針對(duì)所有標(biāo)記的中心點(diǎn)(中心直線)執(zhí)行這些處理。
如上所示，因?yàn)楦鶕?jù)本實(shí)施例的三維測(cè)量裝置50使用分束器12，所以可以同時(shí)記錄直線軌跡圖像Q(被測(cè)點(diǎn)18的直接圖像)以及常規(guī)圓形軌跡圖像。此外，直線軌跡圖像入射到的分束器12的表面裝配有彩色膜13，由此對(duì)入射的光圖像進(jìn)行著色。從而，通過(guò)用PC 60對(duì)這些圖像進(jìn)行處理，可以分別地識(shí)別圓形軌跡圖像P和直線軌跡圖像Q。三維測(cè)量裝置進(jìn)一步包括基于攝像機(jī)11記錄的圓形軌跡圖像P和直線軌跡圖像Q來(lái)計(jì)算三維位置的PC 60。
圖5(a)是被測(cè)點(diǎn)的距離與軌跡圖像之間的關(guān)系的說(shuō)明圖。首先，對(duì)被測(cè)點(diǎn)從點(diǎn)20移動(dòng)到點(diǎn)21時(shí)被測(cè)點(diǎn)的距離與軌跡圖像之間的關(guān)系進(jìn)行說(shuō)明。鏡29按反射角β將來(lái)自被測(cè)點(diǎn)20的光26反射到分束器23。該光進(jìn)一步從分束器23反射到攝像機(jī)24的光接收面25并且在點(diǎn)b成像。來(lái)自光軸P的光通過(guò)濾色器22，到達(dá)攝像機(jī)24的光接收面25，并且在點(diǎn)a成像。當(dāng)被測(cè)點(diǎn)移動(dòng)到點(diǎn)21時(shí)，被測(cè)點(diǎn)21的光27從鏡29按反射角α反射到分束器23。該光進(jìn)一步從分束器23反射到攝像機(jī)24的光接收面25，并且在點(diǎn)c成像。這里的重點(diǎn)在于反射角β和反射角α具有β＞α的關(guān)系，因此，當(dāng)被測(cè)點(diǎn)與光接收面25之間的距離變長(zhǎng)時(shí)(當(dāng)被測(cè)點(diǎn)是點(diǎn)20時(shí))，偏移量變小。當(dāng)被測(cè)點(diǎn)與攝像機(jī)之間的距離變短時(shí)(當(dāng)被測(cè)點(diǎn)是點(diǎn)21時(shí))，偏移量變大。結(jié)果，當(dāng)假設(shè)被測(cè)點(diǎn)不向左右方向移動(dòng)時(shí)，在點(diǎn)a周圍形成螺旋形軌跡的圖像，如圖5(a)中右下方所示。
圖5(b)是鏡位置與軌跡圖像之間的關(guān)系的說(shuō)明圖。對(duì)與圖5(a)中的組成部件相同的組成部件分配相同的標(biāo)號(hào)。對(duì)鏡從位置29移動(dòng)到位置(29)時(shí)的鏡位置與軌跡圖像之間的關(guān)系進(jìn)行說(shuō)明。鏡29按反射角β將來(lái)自被測(cè)點(diǎn)20的光26反射到分束器23。該光進(jìn)一步從分束器23反射到攝像機(jī)24的光接收面25并且在點(diǎn)b成像。來(lái)自光軸P的光通過(guò)濾色器22，到達(dá)攝像機(jī)24的光接收面25，并且在點(diǎn)a成像。當(dāng)鏡移動(dòng)到位置(29)時(shí)，被測(cè)點(diǎn)20的光27從位置(29)處的鏡按反射角α反射到分束器23。該光進(jìn)一步從分束器23反射到攝像機(jī)24的光接收面25，并且在點(diǎn)c成像。這里的重點(diǎn)在于反射角β和反射角α具有β＞α的關(guān)系，因此，當(dāng)鏡與分束器23之間的距離變長(zhǎng)時(shí)(當(dāng)鏡在位置(29)時(shí))，偏移量變大。當(dāng)鏡與分束器23之間的距離變短時(shí)(當(dāng)鏡在位置29時(shí))，偏移量變小。如上所述，可以通過(guò)改變鏡與分束器之間的距離來(lái)改變圖像的偏移量。因此，可以根據(jù)目標(biāo)的距離實(shí)現(xiàn)測(cè)量。換言之，可以通過(guò)改變鏡29與分束器23之間的距離來(lái)改變圖像的偏移量。因此，可以根據(jù)被測(cè)點(diǎn)20的距離實(shí)現(xiàn)測(cè)量。例如，當(dāng)鏡29固定于分束器23時(shí)，在被測(cè)點(diǎn)變遠(yuǎn)時(shí)偏移量變小并且無(wú)法測(cè)量。在這種情況下，可以通過(guò)增大鏡29與分束器23之間的距離來(lái)增加偏移量，由此使得可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量。
(示例)圖6是由根據(jù)本發(fā)明的三維測(cè)量裝置的測(cè)試單元進(jìn)行圖像形成的流體中的示蹤粒子的像的圖。從該圖像中很明顯可以清晰地識(shí)別各個(gè)示蹤粒子的中心點(diǎn)(直線軌跡)和圓形軌跡，并且可以從存在于圖像中心處的重疊軌跡像中容易地識(shí)別各個(gè)軌跡。
根據(jù)本發(fā)明的權(quán)利要求1和6，通過(guò)使用分束器，可以合成地記錄常規(guī)的圓形軌跡圖像和經(jīng)著色的直線軌跡圖像，從而使得可以指定許多重疊的圓形軌跡圖像。因此，可以有效地分析三維圖像。
根據(jù)權(quán)利要求2，因?yàn)閳D像形成單元記錄經(jīng)著色直線軌跡圖像和圓形軌跡圖像，所以可以根據(jù)直線軌跡圖像計(jì)算被測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)距離和方向，并且根據(jù)圓形軌跡圖像計(jì)算到被測(cè)點(diǎn)的距離。因此，可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果獲得被測(cè)點(diǎn)的三維位置，并且可以同時(shí)識(shí)別各個(gè)被測(cè)點(diǎn)。
根據(jù)權(quán)利要求3和7，根據(jù)圖像形成單元記錄的直線軌跡圖像獲得圓形軌跡圖像的中心，由此提取與該中心對(duì)應(yīng)的圓形軌跡圖像。利用這種設(shè)置，即使當(dāng)在圖像中存在大量圓形軌跡時(shí)，也可以有效地執(zhí)行分析。
根據(jù)權(quán)利要求4和8，因?yàn)榭梢愿淖冪R與分束器之間的距離，所以可以基于被測(cè)點(diǎn)的距離來(lái)調(diào)節(jié)圓形軌跡圖像的偏移量。
根據(jù)權(quán)利要求5和9，當(dāng)旋轉(zhuǎn)單元是脈沖電機(jī)時(shí)，計(jì)算單元計(jì)算脈沖電機(jī)在圓形軌跡圖像的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角。因此，可以檢測(cè)螺旋的繪制起始位置(方向)和繪制結(jié)束位置(方向)。檢測(cè)到的信息可以用于對(duì)螺旋的自動(dòng)分析。
權(quán)利要求
1.一種執(zhí)行對(duì)被測(cè)點(diǎn)的三維測(cè)量的三維測(cè)量裝置，所述三維測(cè)量裝置包括圖像形成單元，其可以檢測(cè)至少兩種顏色；分束器，其對(duì)從多個(gè)路徑入射的光圖像進(jìn)行合成；鏡，其使所述被測(cè)點(diǎn)的光圖像的形成位置滑動(dòng)預(yù)定的距離；著色單元，其對(duì)入射到所述分束器的一路徑的光圖像施加預(yù)定的顏色；旋轉(zhuǎn)單元，其使所述分束器和所述鏡按預(yù)定的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)；以及計(jì)算單元，其基于所述圖像形成單元記錄的光圖像來(lái)計(jì)算所述被測(cè)點(diǎn)的三維位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維測(cè)量裝置，其中，所述計(jì)算單元從所述圖像形成單元獲得經(jīng)過(guò)了所述著色單元的所述被測(cè)點(diǎn)的直線軌跡圖像、以及來(lái)自所述旋轉(zhuǎn)單元使其旋轉(zhuǎn)的所述鏡的圓形軌跡圖像，由此計(jì)算所述被測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)方向以及到所述被測(cè)點(diǎn)的距離，并且由此測(cè)量所述被測(cè)點(diǎn)的三維位置和移動(dòng)速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維測(cè)量裝置，其中，所述計(jì)算單元根據(jù)所述圖像形成單元記錄的所述直線軌跡圖像來(lái)獲得所述圓形軌跡圖像的中心，并且提取與所述中心對(duì)應(yīng)的圓形軌跡圖像，由此使得可以從多個(gè)圓形軌跡圖像中識(shí)別出特定的圓形軌跡圖像。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維測(cè)量裝置，其中，所述鏡與所述分束器之間的距離可以改變，以使得可以調(diào)節(jié)所述圓形軌跡圖像的偏移量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維測(cè)量裝置，其中，當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)單元是基于脈沖的相位差而旋轉(zhuǎn)的脈沖電機(jī)時(shí)，所述計(jì)算單元分別計(jì)算所述脈沖電機(jī)在所述圓形軌跡圖像的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角，由此檢測(cè)所述圓形軌跡圖像的所述起始點(diǎn)的位置和所述結(jié)束點(diǎn)的位置。
6.一種對(duì)被測(cè)點(diǎn)進(jìn)行三維測(cè)量的三維測(cè)量方法，所述方法包括圖像形成單元，其可以檢測(cè)至少兩種顏色；分束器，其對(duì)從多個(gè)路徑入射的光圖像進(jìn)行合成；鏡，其使所述被測(cè)點(diǎn)的光圖像的像聚焦位置滑動(dòng)預(yù)定的距離；著色單元，其對(duì)入射到所述分束器的一路徑的光圖像施加預(yù)定的顏色；旋轉(zhuǎn)單元，其使所述分束器和所述鏡按預(yù)定的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)；以及計(jì)算單元，其基于所述圖像形成單元記錄的光圖像來(lái)計(jì)算所述被測(cè)點(diǎn)的三維位置，其中，所述計(jì)算單元從所述圖像形成單元獲得經(jīng)過(guò)了所述著色單元的所述被測(cè)點(diǎn)的直線軌跡圖像、以及來(lái)自所述旋轉(zhuǎn)單元使其旋轉(zhuǎn)的所述鏡的圓形軌跡圖像，以計(jì)算所述被測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)方向和到所述被測(cè)點(diǎn)的距離，由此測(cè)量所述被測(cè)點(diǎn)的三維位置和移動(dòng)速度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維測(cè)量方法，其中，所述計(jì)算單元根據(jù)所述圖像形成單元記錄的所述直線軌跡圖像來(lái)獲得所述圓形軌跡圖像的中心，并且提取與所述中心對(duì)應(yīng)的圓形軌跡圖像，由此使得可以從多個(gè)圓形軌跡圖像中識(shí)別出特定的圓形軌跡圖像。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維測(cè)量方法，其中，改變所述鏡與所述分束器之間的距離以使得可以改變所述圓形軌跡圖像的偏移量。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維測(cè)量方法，其中，當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)單元是基于脈沖的相位差而旋轉(zhuǎn)的脈沖電機(jī)時(shí)，所述計(jì)算單元分別計(jì)算所述脈沖電機(jī)在所述圓形軌跡圖像的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角，由此檢測(cè)所述圓形軌跡圖像的所述起始點(diǎn)的位置和所述結(jié)束點(diǎn)的位置。
全文摘要
一種三維測(cè)量裝置，即使存在許多圓形軌跡圖像其也能夠通過(guò)同時(shí)捕捉被測(cè)點(diǎn)的圓形軌跡圖像和直線軌跡圖像來(lái)有效地分析三維圖像。三維測(cè)量裝置(50)包括由三基色CCD構(gòu)成的3－CCD攝像機(jī)(圖像形成單元)(11)；立方體分束器(12)，對(duì)經(jīng)多個(gè)路徑進(jìn)入的光圖像進(jìn)行合成；鏡(14)，使被測(cè)點(diǎn)(18)的光圖像的位置偏移預(yù)定的距離；紅色濾色器(著色單元)(13)，對(duì)進(jìn)入分束器(12)的路徑的光圖像施加預(yù)定的顏色；未示出的電機(jī)，使分束器(12)和鏡(14)沿箭頭(17)所示的方向旋轉(zhuǎn)；以及未示出的PC，基于攝像機(jī)(11)捕捉到的光圖像來(lái)通過(guò)計(jì)算確定點(diǎn)(18)的三維位置。
文檔編號(hào)G01S5/00GK1860345SQ200380110539
公開(kāi)日2006年11月8日 申請(qǐng)日期2003年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月14日
發(fā)明者川末紀(jì)功仁, 大宅雄一郎 申請(qǐng)人:獨(dú)立行政法人科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)