專利名稱：用于三維輪廓的非接觸檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于三維輪廓的非接觸檢測裝置，具有一投影儀和包含 兩個(gè)攝像鏡頭的 一攝像裝置。本發(fā)明還另外涉及一種用于三維輪廓的非接觸 檢測的相應(yīng)方法，其中至少 一個(gè)條紋圖案被投影到 一物體上。
背景技術(shù)：
由現(xiàn)有技術(shù)可知，在可比較的方法的情形中，向物體上投影所謂的格雷(Grey)碼及條紋圖案，其能夠識別記錄在物體上的條紋圖案圖像中的條紋圖 案的獨(dú)對(individual pairs)線條，從而能夠識別與具體的物點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的像 點(diǎn)，能夠使用三角測量檢測物體的三維輪廓。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)描述的這種方法 的缺點(diǎn)在于，由于將相對全面的信息投影到物體上，從而需要大量的記錄。 這尤其會影響到該方法在手持裝置中的使用。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于三維輪廓的非接觸檢測裝置和相 應(yīng)的方法，以避免上述缺點(diǎn)，尤其對于牙齒表面、牙齒模型表面或義齒的 口腔內(nèi)或口腔外的檢測，^使用至少 一個(gè)測量頭實(shí)現(xiàn)人工處理。本發(fā)明的上述目的通過具有權(quán)利要求1技術(shù)特征的裝置及具有權(quán)利要 求10技術(shù)特征的方法實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的較佳實(shí)施例和展開在從屬權(quán)利要求的 技術(shù)特征中揭示。具體地，提供的一裝置或可以包含在該裝置中的控制估 算單元能夠能采用編程技術(shù)安裝，用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)一個(gè)方法權(quán)利要求的方法。通過所提供的用于三維輪廓的非接觸檢測裝置可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作的輪5廓檢測，后者包括一投影儀和一攝像裝置。所述投影儀具有一圖像生成元 件和一投影鏡頭，該投影儀用于將所述圖像生成元件上產(chǎn)生的條紋圖案成
像在一物體空間內(nèi)；所述攝像裝置包括兩個(gè)攝像鏡頭，用于從兩個(gè)不同方 向觀察所述物體空間。所述投影儀和攝像裝置一起被容置于一個(gè)能夠被用 作手持裝置的測量頭中。
如果攝像裝置具有用于兩個(gè)攝像鏡頭的普通攝像芯片，每個(gè)攝像鏡頭 在各自的半個(gè)攝像芯片上產(chǎn)生圖像，從而實(shí)現(xiàn)特別可操作的實(shí)施例。由于 例如為每個(gè)攝像鏡頭提供兩個(gè)傾斜的鏡子，從而可以依次通過折疊光束路 徑實(shí)現(xiàn)。該攝l象芯片可以采用例如CCD。相應(yīng)地，也可以在實(shí)施例中使用 具有兩個(gè)攝像芯片的兩個(gè)CCD。
通過使用兩個(gè)攝像鏡頭，當(dāng)不能精確地預(yù)知條紋圖案的各對線條的投 影方向時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)對物體空間中一點(diǎn)的三角測量。當(dāng)然，對相同絕對 相位的像點(diǎn)的識別是足夠的。 一方面，為了使三角測量足夠精確，另一方 面，也為了能夠測量陡峭的邊緣，可以較佳地設(shè)置攝像鏡頭，使他們的光 軸涵蓋5°和20°之間的角度。關(guān)于盡可能壓縮的結(jié)構(gòu)，盡可能研究三角 測量幾何學(xué)，較佳地是使兩個(gè)攝像鏡頭的光軸相對于投影鏡頭的光軸所在 的平面鏡面對稱設(shè)置。較佳地，所有三個(gè)光軸可位于一個(gè)平面內(nèi)。但也可 以使投影鏡頭的光軸從攝像鏡頭的光軸展成的平面傾斜5。和8° 。
一方面，為了使裝置還能方便地進(jìn)行口腔內(nèi)測量，另一方面，又能使 其足夠地壓縮及進(jìn)行足夠精確的三角測量，該攝像鏡頭和/或投影鏡頭可以 具有7cm到13cm之間的物體側(cè)截面寬度。從而通過例如一個(gè)傾斜的鏡子或 兩個(gè)傾斜的鏡子，使物體與攝像鏡頭或投影儀鏡頭之間的光束路徑折疊。 測量頭的至少一個(gè)較佳為至少7cm長的殼端部可以被設(shè)計(jì)為具有少于2.5 cm的高度，以實(shí)現(xiàn)口腔內(nèi)測量。
另外，所述裝置可以具有用于投影儀的光源，該光源可以置于測量頭 中可者通過光導(dǎo)與測量頭相連。所述圖像生成元件從而可以被用于對從該光源通過反射或透射而發(fā)出的光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。具體地，所述圖像生成元件能夠采用一 LCoS芯片或一標(biāo)準(zhǔn)的LCD或一不同的圖像生成元件，其可以 進(jìn)行逐像素驅(qū)動(dòng)。該裝置可以最終額外包括一控制估算單元，用于驅(qū)動(dòng)所 述圖像生成元件并用于估算由所述攝像裝置產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)。從而，該控 制估算單元可以采用編程技術(shù)安裝，以便在圖像生成元件上產(chǎn)生至少一個(gè)條紋圖案，估算由攝像裝置沿兩個(gè)攝像鏡頭的圖像平面中相對于其軌跡的 恒定性的彼此對應(yīng)的片斷線條確定的相位值，將該片斷線條分割為恒定相 位軌跡的間隔，識別;f皮此對應(yīng)的片斷線條的4皮此對應(yīng)的間隔，識別彼此對 應(yīng)的間隔中的相同相位值的彼此對應(yīng)的像點(diǎn)，以及對基于像點(diǎn)的物點(diǎn)進(jìn)行 三角測量，其中該像點(diǎn)對應(yīng)于該物點(diǎn)并且彼此對應(yīng)。因此，所述控制估算 單元應(yīng)當(dāng)較佳地被額外配置，以便產(chǎn)生多個(gè)相互的相移條紋圖案序列和/ 或額外至少一個(gè)條紋圖案序列，該條紋圖案具有朝向不同方向的條紋。所推薦的用于三維輪廓的非接觸檢測方法可以由例如前述類型的裝置 實(shí)現(xiàn)，使得至少一個(gè)條紋圖案被投影到物體上；并且，通過置于彼此相對 的限定的空間中的兩個(gè)攝像鏡頭，使得投影設(shè)置有所述條紋圖案的物體的 兩個(gè)圖像被從兩個(gè)不同方向記錄，且條紋圖案的相位值被進(jìn)行確定以用于 兩個(gè)圖像的像點(diǎn)，此后，通過基于兩個(gè)圖像中的各自彼此對應(yīng)的像點(diǎn)的三 角測量的方式，確定對應(yīng)于這些像點(diǎn)的物點(diǎn)的深度信息。為了分別確定兩 個(gè)圖像中的彼此對應(yīng)的像點(diǎn)，從而選擇兩個(gè)圖像中的彼此對應(yīng)的片斷線 條，并沿這些片斷線條來關(guān)于恒定性估算被確定的相位值，從而使該片斷 線條被分隔為恒定相位軌跡的間隔。這可以通過已知的恒定性算法來實(shí)現(xiàn)， 該算法例如為對記錄有彼此相鄰像素的相位值進(jìn)行核實(shí)，如有需要，還可 以以相位值2tt取模，通過不超過限定的較小值來觀察他們是否不同。最 后，識別彼此對應(yīng)的片斷線條中的彼此對應(yīng)的間隔，這能過例如比較包含 在不同間隔中的周期數(shù)來實(shí)現(xiàn)，在彼此對應(yīng)的間隔內(nèi)，相同相位值的點(diǎn)被 相互指定。由于在間隔中的相位值是恒定的，因此，這再次成為可能有任何困難。在其估算之前，關(guān)于恒定性，在將0 tO 2TT的周期進(jìn)行參數(shù)
化時(shí)，只有一個(gè)信息內(nèi)容模值2tt,因此，該相位值也可以被稱為粗相位 值；而在將片斷線條分割為恒定相位軌跡的間隔之后，即例如恒定之后， 該相位值可以被稱為細(xì)相位。上述多對彼此對應(yīng)的片斷線條可以被分別定 義為來自于一個(gè)平面的所有點(diǎn)的圖像，該平面延伸穿過兩個(gè)攝像鏡頭的投 影中心。這些投影中心也可以在三角測量過程中用于定義視差。上述的投 影中心和片斷線條均明確地由所用裝置選擇的幾何形狀產(chǎn)生。
該方法可以大致進(jìn)行如下簡化，多個(gè)交互相移條紋圖案序列被連續(xù)投 影于物體上，并被進(jìn)行記錄來確定相位值。較佳地，至少三個(gè)，或更好為 四個(gè)交互相移條紋圖案被投影到物體上，用于確定一組相位值。 一方面， 為了允許盡可能好的分辨率；另一方面，也為了使對各對線條細(xì)相位的識 別，沒有不必要的困難，可以設(shè)置為使所用的條紋圖案具有10至80對之 間的線條，即強(qiáng)度周期。較佳地是，使用具有朝向垂直于兩個(gè)攝像鏡頭的 投影中心組合的條紋圖案。對彼此對應(yīng)的像點(diǎn)的識別可以被進(jìn)一步簡化為， 額外地，將具有不同朝向條紋的另外的條紋圖案以瞬時(shí)偏移方式投影物體 上，該另外的條紋圖案的相位值也被進(jìn)行估算。然后，該另外的條紋圖案
具有相對于第一所述條紋圖案或相應(yīng)條紋圖案序列的條紋的旋轉(zhuǎn)條紋?？?能地，以這種方式及交互相移再次分別旋轉(zhuǎn)的整個(gè)另外的條紋圖案序列也 能夠被投影于物體上，并進(jìn)行記錄。關(guān)于盡可能簡單地識別彼此對應(yīng)的像 點(diǎn)， 一方面，總共為盡可能短的記錄時(shí)間，另一方面，較佳地，總共記 錄5個(gè)和11個(gè)之間的具有條紋圖案的圖像.
最后，除了具有條紋圖案的記錄，或者甚至同時(shí)具有條紋圖案記錄(通 過嵌入于條紋圖案或圖形中)，可以通過兩個(gè)攝像鏡頭提供一個(gè)或多個(gè)物體 的記錄，在該情況下，至少一個(gè)標(biāo)記被投影到所述物體上，該標(biāo)記相對于 之前、同時(shí)或隨后記錄的條紋圖案以限定的方式^皮定位，以這種方式被標(biāo) 記的物點(diǎn)能夠進(jìn)行三角測量。這種可定位標(biāo)記的額外記錄能夠用于明確識
8別兩個(gè)對應(yīng)的像點(diǎn)，以輔助該方法。因此，該標(biāo)記能夠^皮作為單獨(dú)圖像被 記錄，或與系統(tǒng)圖像相混合并同時(shí)被記錄?？蛇x地或另外地， 一個(gè)或多個(gè)標(biāo)記的這種投影和三角測量可以用于校 準(zhǔn)所述方法所用的裝置。這種校準(zhǔn)能夠用于確定該裝置的內(nèi)部參數(shù)及兩個(gè) 攝像鏡頭的相對朝向，其中兩個(gè)攝像鏡頭在測量物體本身可預(yù)先采用另一 物體(測試體)時(shí)發(fā)揮作用。然而，該校準(zhǔn)尤其當(dāng)使用一測試體且還具有一 個(gè)或多個(gè)條紋圖像記錄時(shí)能夠發(fā)揮作用，因?yàn)?，校?zhǔn)測量可以持續(xù)更久， 并且也可以使用格雷碼:投影或比較方法。在所述方法中選擇的及相對于相位軌跡估算的片斷線條應(yīng)當(dāng)被較佳地 密集置于由兩個(gè)攝像鏡頭產(chǎn)生的圖像中。這意味著，這些片斷線條的窄環(huán) 繞條紋應(yīng)當(dāng)覆蓋兩個(gè)圖像，以便能夠?qū)崿F(xiàn)覆蓋表面的3D檢測。在所述方法的較佳實(shí)施例中，可以通過對被檢測到的相位值進(jìn)行插值， 從而可以相對于圖像產(chǎn)生器和/或攝像芯片或攝像芯片實(shí)現(xiàn)像點(diǎn)到相位值的子像素精度的分配。為了采用由手引導(dǎo)的測量頭實(shí)現(xiàn)測量而沒有由于抖動(dòng)產(chǎn)生的測量錯(cuò)誤，可以以100 ms到500 ms之間的時(shí)間,更內(nèi)和/或具有15 Hz到60 Hz之間的圖 像重復(fù)率，記錄所有用于一個(gè)輪廓檢測的條紋圖案以及額外或同時(shí)可能被投 影的標(biāo)記。參照以下圖1至6說明
具體實(shí)施例方式


圖1為本發(fā)明的裝置的光束路徑；圖2為本發(fā)明不同實(shí)施例中的對比裝置的兩個(gè)攝像鏡頭的光束路徑的 相應(yīng)表示圖；圖3為本發(fā)明的裝置的第三實(shí)施例的光束路徑的對比表示圖； 圖4為圖3所示裝置的光束路徑的側(cè)視圖；9圖5表示具有打開殼體并具有與圖1所示實(shí)施例相對比的光束路徑的 本發(fā)明的裝置；
圖6為表示本發(fā)明的方法實(shí)施例的流程圖7表示對應(yīng)于圖2中表示的裝置的變化中的兩個(gè)攝像鏡頭的光束路徑。
具體實(shí)施例方式
用于三維輪廓的非接觸檢測裝置，尤其用于牙齒輪廓的口腔內(nèi)或口腔 外檢測，其光學(xué)組件能夠在圖1中看到。所示裝置包括一投影儀，具有圖 像生成元件1及投影鏡頭2，其中投影鏡頭2用于將圖像生成元件1上產(chǎn) 生的條紋圖案成像于物體空間3內(nèi)。所述裝置進(jìn)一步包括兩個(gè)屬于攝像裝 置的攝像鏡頭4，彼此傾斜約12°的角度，以便從兩個(gè)方向觀察該物體空 間3。此處所述攝像裝置分別為每個(gè)攝像鏡頭4配置攝像芯片5作為一個(gè) 可單色CCD芯片，所述投影儀及所述攝像裝置因此可以容置于普通的可用
作手持裝置的測量頭中。
在所示裝置的情形中設(shè)置所述投影儀，使其具有與攝像鏡頭4限定的 兩個(gè)光軸之間的二等分線相重疊的光軸。兩個(gè)所述攝像鏡頭4及所述投影 鏡頭2具有約10 cm的物體截面寬度。進(jìn)入物體空間3的投影可以發(fā)生 在焦點(diǎn)上，并且該物體空間3通過攝像裝置的焦點(diǎn)范圍的深度被包圍，該 物體空間3具有約25 mm x15 mm的側(cè)面尺寸，并在投影儀的光軸方向上 具有約13 mm的深度。
所述圖像生成元件l，此處可以為LCoS芯片，其具有約6mmx4mm到 16 mm x12 mm的側(cè)面尺寸。此處，該圖像生成元件1用于對光源發(fā)出的光 進(jìn)行反射強(qiáng)度調(diào)制，該光源本身沒有表示在圖1中。可選地，還可以提供 一普通的LCD芯片，對光源的透射光進(jìn)行調(diào)制。
在圖2中顯示了本發(fā)明的另一實(shí)施例，此處只顯示了相應(yīng)裝置的攝像裝置。以下圖中提供的重復(fù)特征具有相同的參考編號。與上述實(shí)施例不同，該攝像裝置僅具有一個(gè)單個(gè)的攝像芯片5，其可以為單色CCD芯片。兩個(gè) 攝像鏡頭4的光束路徑均由兩個(gè)傾斜的鏡子6分別折疊到圖像側(cè)，使得每 個(gè)攝像鏡頭4分別在攝像芯片5的一半處產(chǎn)生圖像。在圖2表示的實(shí)施例 中，可以使投影儀的光束路徑從攝像鏡頭4的光軸限定的平面傾斜約5° 的角度。除此之外，還提供了使投影光束路徑盡可能對稱的結(jié)構(gòu)。圖3、 4表示了第三實(shí)施例。此處，所述攝像裝置也僅具有一個(gè)單個(gè)的 攝像芯片5用于兩個(gè)光束路徑，該攝像芯片5的兩個(gè)半段分別顯露給一個(gè) 攝像鏡頭4。此外，該攝像芯片5與攝像鏡頭4的光軸限定的平面相平行 設(shè)置。如圖4所示，該實(shí)施例的投影儀也具有由兩個(gè)傾斜的鏡子6'折疊的 光束路徑。在圖5中表示了本發(fā)明的一實(shí)施例，與圖l所示實(shí)施例的不同之處僅 在于，在物體側(cè)提供了傾斜的鏡子，以便尤其有利于口腔內(nèi)測量。圖5中 還表示了裝置的測量頭的外殼，其具有相對窄的殼端部9，殼端部9帶有 傾斜的鏡子7。在圖5中引入的數(shù)字參考值以毫米(mm)來指定對外殼8的 測量。所示裝置具有一光源，置于外殼8的外部，且未在圖5中顯示，所 述光源通過直徑約為5mm的光導(dǎo)IO連接到測量頭上。在本發(fā)明的變化中， 可以不將光源容置于測量頭本身中。在圖1至5中沒有示出屬于各自裝置的控制估算單元，所述控制估算 單元釆用編程技術(shù)安裝，使得該裝置適用于實(shí)施下述參照圖6所述的方法。該方法用于三維輪廓的非接觸檢測，尤其用于牙齒、牙齒模型或義齒 的口腔內(nèi)或口腔外的掃描表面。在該方法的情形中， 一條紋圖案序列首先 被投影儀投影到要對其三維輪廓進(jìn)行檢測的物體上，分別被投影有條紋圖 案的該物體的兩個(gè)圖像被攝像鏡頭4記錄。首先，例如僅在其本地空間的 相移上彼此不同的四個(gè)條紋圖案被投影和記錄，通過為兩個(gè)圖像中的每個(gè) 使用所謂的4相算法(當(dāng)然，在其他的方法實(shí)施例中，也可以使用其他適合的相位算法)確定條紋圖案或條紋圖案序列的相位值，從而產(chǎn)生例如粗相
位圖像。為了記錄來自于序列的每個(gè)條紋圖案，對各個(gè)攝像芯片5的每個(gè) 像素的強(qiáng)度進(jìn)行測量是可能的且沒有什么困難。因此，有術(shù)語粗相位強(qiáng)度
相位，其對0 tO 2TT的強(qiáng)度周期進(jìn)行參數(shù)化時(shí)，只有經(jīng)過模27T處理后才
可接受。
在圖6中表示為菱形的進(jìn)一步步驟中，由于兩個(gè)圖像中彼此分別對應(yīng) 的片斷線條被選擇，現(xiàn)在由攝像鏡頭4記錄的兩個(gè)圖像中的彼此對應(yīng)的像 點(diǎn)被確定。對沿片斷線條確定的相位值關(guān)于恒定性進(jìn)行測試，因此，該片 斷線條被分割為恒定相位軌跡的間隔，此后，識別在彼此對應(yīng)的片斷線條 中的彼此對應(yīng)的間隔，在該彼此對應(yīng)的間隔內(nèi)，相同相位值的點(diǎn)被彼此指 定。因此，上述間隔中的相位值可以稱為細(xì)相位，通過被承擔(dān)的相位恒定 性向該細(xì)相位發(fā)送信息的內(nèi)容，所述信息的內(nèi)容足以明確識別在該間隔中 的每個(gè)點(diǎn)。所述相位恒定性，即沿片斷線條的相位值關(guān)于恒定性的估算， 因此，可以通過已知的恒定性算法本身，來實(shí)現(xiàn)將片斷線條分割為恒定相 位軌跡的間隔。較佳地，選擇多對片斷線條，使其盡可能密集地覆蓋兩個(gè) 圖像。從而可以無困難地確定彼此對應(yīng)的片斷線條，這是因?yàn)楫a(chǎn)生的片斷 線條被明確地用于每個(gè)圖像的每個(gè)圖像點(diǎn)。
最后，基于由兩個(gè)攝像鏡頭4產(chǎn)生的兩個(gè)圖像中的各自彼此對應(yīng)的像 點(diǎn)，通過三角測量確定這些像點(diǎn)對應(yīng)的物點(diǎn)的深度信息。在圖6中，通過 相應(yīng)標(biāo)記的方形區(qū)域i兌明沖支術(shù)或計(jì)算過程，通過相應(yīng)標(biāo)記的橢圓形區(qū)域說 明輸入或輸出數(shù)據(jù)。
所用的條紋圖案被標(biāo)定尺寸以使得約5 0個(gè)等距離周期覆蓋圖1所示的 物體空間3。條紋圖案序列由條紋產(chǎn)生，該條紋朝向垂直圖1至3所示附 圖平面的方向。另外，在1至7之間的具有其他朝向的另外的條紋圖案要 被投影于物體上，并相應(yīng)進(jìn)行估算以輔助該方法。額外地或同時(shí)地，在被 明確定位的標(biāo)記被投影于物體上的位置至少進(jìn)行一個(gè)記錄，其可以輔助所述方法，類似于對彼此對應(yīng)的像點(diǎn)識別時(shí)的支持方式。在上述方式中，如此多個(gè)片斷線條應(yīng)當(dāng)被進(jìn)行檢測，以使得具有高達(dá) 四倍于像素空間寬度的這些片斷線條的環(huán)繞條紋完全覆蓋圖像。通過進(jìn)行 強(qiáng)度的插值測量，可以因此實(shí)現(xiàn)從像點(diǎn)相位值的分配以及相應(yīng)的輪廓的精 確三角測量，該相位值甚至超過像素精度。通過使用快速運(yùn)行四相算法進(jìn) 行相位計(jì)算，可以保持很低的對帶有條紋圖案的圖像序列的記錄時(shí)間。對于8到10個(gè)圖像序列的記錄，每個(gè)圖像持序20ms到40ms，例如，在每個(gè) 測量位置可以產(chǎn)生160 ms到400 ms之間的i己錄時(shí)間。關(guān)于口腔內(nèi)應(yīng)用， 最好使所用的裝置具有帶可移動(dòng)口腔片的模塊化測量頭或傳感器頭。此處描述的本發(fā)明的基本特征進(jìn)一 步具體為確定來自于強(qiáng)度圖像的粗 相位，該強(qiáng)度圖像由兩個(gè)攝像機(jī)從兩個(gè)不同方向進(jìn)行記錄，并輔以片斷幾 何形狀進(jìn)行三維數(shù)據(jù)和粗相位恒定性的計(jì)算，通過相位相關(guān)性確定對應(yīng)的 像素，以及基于對應(yīng)的像素通過三角測量計(jì)算深度值。以下進(jìn)一步簡要描述所提供發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。被稱為人工掃描儀的裝置是一種用于口腔內(nèi)部牙齒的裝置。其包括被 引入到口腔內(nèi)部的部分及具有光、電和機(jī)械組件的手持部分，該組件將來 自于照明源的照明光束經(jīng)由照明光學(xué)器件傳輸?shù)窖例X上，并將來自于牙齒 的觀察光束傳輸?shù)接^察光學(xué)器件上，直到傳感器(CCD)。該裝置包括作為圖像生成元件1的投影芯片，將一條紋圖案序列投影 到待測物體(牙齒)上。該條紋圖案序列被從兩個(gè)觀察方向進(jìn)行觀察和記錄。 從記錄的強(qiáng)度圖像計(jì)算相位值。參見圖1，通過經(jīng)由相位相關(guān)性的攝影測 量方法及通過兩個(gè)觀察通道之間的三角測量獲得3D測量數(shù)據(jù)。同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)觀察方向和照明方向的原理包括兩個(gè)用于觀察的單獨(dú)光 通道，其軸左右設(shè)置，典型地，幾乎相對于照明方向?qū)ΨQ設(shè)置。位于所述投影的光軸和由攝像頭的兩個(gè)光軸限定的平面之間的可能存 在的偏離角度較佳地小于5° 。通過照明和》見察，產(chǎn)生側(cè)面約為25 mm x 15 mm的測量區(qū)域。物體空 間3或測量容量在光軸(焦點(diǎn)范圍的深度)的方向上的延伸約為±6. 5 mm =13 mm。一偏移冷光源作為照明源。(偏移)光源的光經(jīng)由直徑約為5mm的液體 光導(dǎo)被耦合進(jìn)入口腔內(nèi)運(yùn)行傳感器頭或測量頭。對照明光學(xué)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)使得他們在低失真方式下運(yùn)行。對于觀察， 使用CCD攝像技術(shù)及幾乎無失真的鏡頭。可以將兩個(gè)觀察方向以這種方式 相結(jié)合，從而僅使用一個(gè)攝像芯片5來觀察(參見圖2-4)。作為一種選擇， 還可以使用兩個(gè)攝像芯片5(參見圖1)。為了獲得測量值，攝影測量作為基本的測量原理被作為方法使用。該 攝影測量的方法表示具有主動(dòng)圖形投影的攝影測量方法的數(shù)學(xué)歸 一化合 并。不同朝向的圖形序列被投影到要被測量的物體上，并由觀察攝像機(jī)記 錄，細(xì)相位值由對應(yīng)的算法確定。由兩個(gè)觀察方向的相關(guān)細(xì)相位值、裝置 的內(nèi)部朝向的參數(shù)以及觀察方向之間的相對朝向的參數(shù)產(chǎn)生3D測量值。內(nèi)部朝向的參數(shù)和在觀察方向之間的相對朝向的參數(shù)被確定在校準(zhǔn)測 量范圍內(nèi)。這可以由測量本身的數(shù)據(jù)或由具有更高精度的單獨(dú)校準(zhǔn)測量的 先驗(yàn)值確定。為此，使用最高精度實(shí)施校準(zhǔn)體的一個(gè)或多個(gè)口腔外測量。 為了在校準(zhǔn)時(shí)產(chǎn)生粗相位圖像s (=相位對2ti求模)，例如使用4-或16-相位算法。使用攝影測量方法實(shí)現(xiàn)對攝像機(jī)及可能地為投影儀的內(nèi)部朝向 進(jìn)行確定。進(jìn)一步地，兩個(gè)觀察方向之間的相對朝向可以由校準(zhǔn)測量確定。為了計(jì)算3D測量數(shù)據(jù)，使用由觀察方向限定的光束并實(shí)現(xiàn)攝像圖像中 的相位相關(guān)性。對圖像序列的記錄在第一步中實(shí)現(xiàn)。在條紋圖案的總共5到11個(gè)圖像中的兩個(gè)相交序列由投影單元投影， 并從兩個(gè)觀察方向記錄。以30 Hz的圖像重復(fù)率的圖像記錄要求在160和 370 ms之間。觀察方向計(jì)算粗相位圖像。在一個(gè)或多個(gè)圖像中， 可以使用 一個(gè)或多個(gè)像點(diǎn)用作標(biāo)記或標(biāo)志。標(biāo)志為圖像中明確的識別點(diǎn)， 其源頭已知為在投影芯片上。他們用于產(chǎn)生絕對的相位確定。在第二步中，實(shí)現(xiàn)攝像圖像之間的點(diǎn)的分配。對于3D點(diǎn)計(jì)算，粗相位圖像必須被轉(zhuǎn)換為細(xì)相位圖像，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)攝 像機(jī)的圖像之間的明確的點(diǎn)分配。對兩個(gè)觀察方向的4象點(diǎn)的分配在粗相位 信息和片斷幾何形狀的幫助下實(shí)現(xiàn)。為此，僅觀察位于兩個(gè)觀察方向的圖像中的對應(yīng)的片斷線條的像點(diǎn)。 這些線條通過選擇圖像中的具體點(diǎn)及內(nèi)部和相對朝向的數(shù)據(jù)被明確地確 定。為了產(chǎn)生測量點(diǎn)的足夠的選擇，使用對應(yīng)的片斷線族相應(yīng)地密集覆蓋 圖像。片斷線條為空間中的平面的圖像，該空間延伸穿過兩個(gè)觀察方向的 投影中心及物體空間中表征該空間的平面一點(diǎn)。因此，他們在圖像中被顯 示為對應(yīng)的直線條。在圖像的片斷線上的所有點(diǎn)在第二圖像中的對應(yīng)的片斷線上具有他們 的對應(yīng)點(diǎn)。查找點(diǎn)對應(yīng)性的目的因此被減少為一維情況。通過片斷線條上的相位值的相關(guān)性查找對應(yīng)性。為此，要求片斷線條 的粗相位值需要另外的恒定性。這通過分析周期過渡性，檢測非恒定點(diǎn)， 觀察相鄰像點(diǎn)，及追蹤圖像中的周期過渡性而實(shí)現(xiàn)。被檢測的標(biāo)志因此用 作用于圖像中追蹤的起始點(diǎn)及用作控制點(diǎn)。在第三步驟中實(shí)現(xiàn)3D測量數(shù)據(jù)的計(jì)算。為此，采用三角測量計(jì)算子像素-對應(yīng)像點(diǎn)的被精確確定的坐標(biāo)、相對 朝向和內(nèi)部朝向的參數(shù)，以形成3D點(diǎn)云，該3D點(diǎn)云表示掃描過程的結(jié)束結(jié)果。因此所示方法需要粗相位的恒定性。當(dāng)使用片斷幾何時(shí)，在二維表面 內(nèi)，不再需要實(shí)現(xiàn)該粗相位的恒定性，但被減少到一維問題則相反，因?yàn)閷?yīng)的直線條在兩個(gè)圖像中被觀察。當(dāng)在兩個(gè)圖^f象中的直線的兩個(gè)部分上發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的起始點(diǎn)時(shí)，可以在任 意情況下實(shí)現(xiàn)明確的粗相位分配，只要在直線部分上的相位值的功能保持 恒定即可。不恒定的點(diǎn)定義新的直線部分。因此，對于對應(yīng)的片斷線條上 的每對對應(yīng)的直線部分，必須發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的點(diǎn)。(因此，光源也能夠再次被作 為為相鄰片斷線條之間的相位值的恒定性分析)。用于點(diǎn)分配的算法(粗相對應(yīng)的起始點(diǎn)。當(dāng)使用l-芯片解決方案用于攝像裝置(參見圖2，4)時(shí)，該片斷幾何形 狀對應(yīng)于攝像頭的兩個(gè)空間通道被進(jìn)行計(jì)算。因此，不僅實(shí)現(xiàn)了壓縮結(jié)構(gòu) 而且可以使用更簡單的電子估算系統(tǒng)。最后，用于三維輪廓的非接觸檢測裝置的一部分顯示在圖7所示發(fā)明 的實(shí)施例中。從而，這種表示唯一對應(yīng)于圖2。上述已經(jīng)開始應(yīng)用的對應(yīng) 特征再次設(shè)置相同的參考編號。此處，僅僅要處理相對于圖2所示的實(shí)施 例的偏差。在兩個(gè)攝像鏡頭4的光束路徑中，從物體空間來看，分別設(shè)置一個(gè)第 一傾斜的鏡子6和一個(gè)第二傾斜的鏡子6'作為傾斜元件，對應(yīng)于圖2中的 總共4個(gè)傾斜的鏡子6 。與圖2所示實(shí)施例不同，此處的攝像鏡頭4的所 有鏡頭被置于兩個(gè)傾斜的鏡子6和6'的物體側(cè)，該鏡子6和6'置于各自 光束路徑中，并且因此位于攝像鏡頭4的光束路徑外的所有傾斜元件的物 體側(cè)上，而從物體空間來看，不再需要在第一傾斜的鏡子6和第二傾斜的 鏡子6'之間旋轉(zhuǎn)衍射元件。這有利于通過置換和/或旋轉(zhuǎn)第一傾斜的鏡子 6來調(diào)整攝像光學(xué)器件，為此目的分別在滑道上裝設(shè)第一傾斜的鏡子6, 該滑道在圖2所示的雙箭頭方向上可被代替，并能夠通過在期望的位置螺 下螺釘而被固定。在該滑道上，兩個(gè)第一傾斜的鏡子6之一分別相對于軸 旋轉(zhuǎn)，該軸垂直于圖2的附圖平面，并被設(shè)置為在期望的位置固定。16這種設(shè)計(jì)產(chǎn)生了關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)，可以通過調(diào)整第一傾斜的鏡子6來調(diào)整攝像鏡頭4,而不用改變攝像鏡頭4的圖像生成元件的內(nèi)部幾何形狀，即此處分別有5個(gè)可檢測的鏡頭。因此，這種調(diào)整以一種較佳的方式不會改變攝像鏡頭4的成像質(zhì)量。另外，由于兩個(gè)第二傾斜的鏡子6'形成的棱鏡塊能夠可能地置于線性滑道上，并出于調(diào)整的目的，被沿?cái)z像芯片5的對稱軸或光軸的方向可替代。當(dāng)然，圖3、 4所示的實(shí)施例也可以對應(yīng)的方式被改變，使得攝像鏡頭4的所有鏡頭被置于傾斜的鏡子6的物體側(cè)，且此處，該傾斜的鏡子6可以以期望的方式被調(diào)整。
投影儀的照明光學(xué)元件未顯示在附圖中，通過該照明光學(xué)元件，光被引導(dǎo)到圖像生成元件1上，其被設(shè)置為例如將LCoS芯片進(jìn)行遠(yuǎn)心設(shè)置，以便產(chǎn)生盡可能高的輻射輸出。
通過釆用上述類型的裝置，也可以采用可選方法以非接觸方式檢測三維輪廓，尤其釆用帶格雷碼條紋圖案的投影。為此，可以采用編程技術(shù)安裝控制估算單元，以驅(qū)動(dòng)圖像生成元件1及估算由攝像裝置產(chǎn)生的各裝置的圖像數(shù)據(jù)。
- 以便產(chǎn)生在圖像生成元件1上包含格雷碼的條紋圖案；
- 以便識別采用格雷碼估算的由兩個(gè)攝像鏡頭產(chǎn)生的圖像中彼此對應(yīng)的像點(diǎn)；及
- 以便基于像點(diǎn)對物點(diǎn)進(jìn)行三角測量，其中該像點(diǎn)對應(yīng)于該物點(diǎn)且彼此相關(guān)聯(lián)識別。
在相應(yīng)的用于三維輪廓的非接觸檢測方法中，包含例如格雷碼的條紋圖案被投影到物體上，采用以限定的空間彼此相對的兩個(gè)攝像鏡頭從兩個(gè)不同方向記錄投影到物體上的具有條紋圖案的兩個(gè)圖像，并為兩個(gè)圖像中的像點(diǎn)確定條紋圖案的相位值，此后，采用基于兩個(gè)圖像中的各自彼此對應(yīng)像點(diǎn)的三角測量為對應(yīng)于這些像點(diǎn)的物點(diǎn)確定深度信息，通過格雷碼估算來確定兩個(gè)圖像中的彼此對應(yīng)的像點(diǎn)。
17因此，例如，至少通過控制估算單元對應(yīng)的編程，至少投影第一組及第二組條紋圖案用于測量，其分別帶有平行條紋，第一組條紋以一不為零
角度(較佳地為至少約90° )包圍第二組條紋，每組均包含至少三個(gè)(較佳為四個(gè))具有正弦強(qiáng)度軌跡的交互相移條紋圖案，其事實(shí)上只允許確定模2
TT的相位，每組均額外包括進(jìn)一步的條紋圖案，其為格雷編碼，用于確定
絕對相位。
因此，總共相對較多的條紋圖案被投影和記錄。為了避免由于相對長測量時(shí)間而引起的與其相關(guān)的抖動(dòng)，尤其是當(dāng)采用手持裝置投影和記錄條紋圖案時(shí)，那么，本發(fā)明特別較佳的實(shí)施例提供了這些來自于第一組條紋圖案的帶有正弦強(qiáng)度軌跡的條紋圖案及這些來自于第二組條紋圖案的帶有正弦強(qiáng)度軌跡的條紋圖案，并迅速將他們順次投影，而在兩個(gè)上述這些帶有正弦強(qiáng)度軌跡的條紋圖案之前和/或之后投影格雷編碼的條紋圖案，而不是在帶有正弦強(qiáng)度軌跡的條紋圖案的各自之間。因此，來自于第一組條紋圖案的帶有正弦強(qiáng)度軌跡的條紋圖案及來自于第二組條紋圖案的帶有正弦強(qiáng)度軌跡的條紋圖案能夠以任意序列投影，例如，先投影所有這些來自于第一組的條紋圖案，然后投影來自于第二組的正弦延伸的條紋圖案。通過這種測量可以實(shí)現(xiàn)在非常短的且防抖的時(shí)間范圍投影和記錄帶有正弦強(qiáng)度軌跡的內(nèi)條紋圖案，典型地，在兩個(gè)條紋方向的情況下總共有八個(gè)條紋圖案，也可以有六個(gè)這樣的條紋圖案就夠用。事實(shí)上，所述格雷編碼的條紋圖案會落到非常短的時(shí)間范圍之外但卻是無損的，這是由于他們還是僅用
于確定已知的模2TT相位的絕對相位，因此他們的記錄幾乎對于抖動(dòng)是不敏感的。有利地是，通過格雷碼投影，在兩個(gè)攝像鏡頭的圖像平面內(nèi)的像點(diǎn)的明確的分配可以與也可作為手持裝置的對應(yīng)裝置的防抖操作相結(jié)合。
權(quán)利要求
1、一種用于三維輪廓的非接觸檢測裝置，包括一投影儀，具有圖像生成元件(1)和投影鏡頭(2)，該投影儀用于將所述圖像生成元件(1)上產(chǎn)生的條紋圖案成像在一物體空間(3)內(nèi)；以及一攝像裝置，包括兩個(gè)攝像鏡頭(4)，用于從兩個(gè)不同方向觀察所述物體空間(3)；所述投影儀和所述攝像裝置一起被容置于一個(gè)能夠被用作手持裝置的測量頭中。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述攝像裝置具有用于 兩個(gè)攝像鏡頭(4)的普通攝像芯片(5)，每個(gè)攝像鏡頭(4)在各自的半個(gè)攝像 芯片(5)上產(chǎn)生圖像。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于至少兩個(gè)傾斜元件(6, 6，)分別置于所述兩個(gè)攝像鏡頭(4)中的每個(gè)攝像鏡頭的光束路徑中，所述 攝像鏡頭(4)的所有鏡頭置于這些傾斜元件(6， 6，)的物體側(cè)上，所述傾斜 元件(6， 6，)中的至少一個(gè)第一傾斜元件(6)置于所述兩個(gè)攝像鏡頭(4)中 的每個(gè)攝像鏡頭的光束路徑以內(nèi)，所述兩個(gè)攝像鏡頭(4)位于用于調(diào)整的可 更換滑道上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1 ~ 3任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于所述 兩個(gè)攝像鏡頭(4)具有涵蓋5°和20°之間的角度的光軸。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1 ~ 4任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于所述 兩個(gè)攝像鏡頭(4)具有相對于所述投影鏡頭(2)的光軸所在的平面鏡面對稱 設(shè)置的光軸。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1 ~ 5任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于所述 攝像鏡頭(4)和/或所述投影鏡頭(2)被設(shè)計(jì)為具有7cm至13 cm之間的物體 側(cè)截面寬度。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1 ~ 6任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于為所 述投影儀提供一光源，從該光源發(fā)出的用于透射和反射的光能夠由圖像生 成元件(l)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述光源容置于所述測 量頭中，或經(jīng)由一光導(dǎo)(10)與所述測量頭相連。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1 ~ 8任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于所述 裝置還包括一控制估算單元，用于驅(qū)動(dòng)圖像生成元件(1)并用于估算由所述 攝像裝置產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)；該控制估算單元采用編程技術(shù)安裝，-以便在圖像生成元件(l)上產(chǎn)生至少一個(gè)條紋圖案，且還-以便估算相位值的軌跡，該相位值是采用攝像裝置沿兩個(gè)攝像鏡頭(4)的圖像平面中彼此對應(yīng)的片斷線條關(guān)于恒定性而確定的， -以便將片斷線條分割為恒定相位軌跡的間隔， -以便識別在4皮此對應(yīng)的片斷線條中的彼此對應(yīng)的間隔， -以便識別在彼此識別為相關(guān)的間隔內(nèi)的相同相位值的4皮此對應(yīng)的像點(diǎn)，以及-以便基于所識別的像點(diǎn)對物點(diǎn)進(jìn)行三角測量，所述像點(diǎn)與該物點(diǎn)相對 應(yīng)且;f皮此相關(guān)。
10、 一種用于三維輪廓的非接觸檢測方法，其中投影至少一個(gè)條紋圖 案到物體上，釆用以彼此相對的限定的空間設(shè)置的兩個(gè)攝像鏡頭(4)從兩個(gè) 不同的方向記錄具有投影在其上的條紋圖案的物體的兩個(gè)圖像，并為兩個(gè) 圖像中的像點(diǎn)確定條紋圖案的相位值；隨后，采用基于兩個(gè)圖像中各自彼此對應(yīng)的像點(diǎn)的三角測量，確定對 應(yīng)于這些像點(diǎn)的物點(diǎn)的深度信息，其中為了確定兩個(gè)圖像中的彼此對應(yīng)的 像點(diǎn)，-選擇兩個(gè)圖像中的多對各自彼此對應(yīng)的片斷線條， -對沿所述片斷線條確定的相位值關(guān)于恒定性進(jìn)行估算，并且 -所述片斷線條^皮分割為恒定相位軌跡的間隔，-隨后，識別4皮此對應(yīng)的片斷線條中的彼此對應(yīng)的間隔，并在該;波此對 應(yīng)的間隔中，」波此分配相同相位值的點(diǎn)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于將多個(gè)交互相移條紋圖案的序列順次投影到所述物體上，且被記錄以確定相位值。
12、 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于將具有不同朝向 的條紋的至少一個(gè)另外的條紋圖案以瞬時(shí)偏移方式投影到所述物體上，并 且估算該另外的條紋圖案的相位值以便識別兩個(gè)圖像中彼此對應(yīng)的像點(diǎn)。
13、 根據(jù)權(quán)利要求10~12任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于采 用所述兩個(gè)攝像鏡頭進(jìn)行所述物體的至少一個(gè)記錄，在該情形中，將至少 一個(gè)標(biāo)記投影到所述物體上以識別兩個(gè)對應(yīng)的像點(diǎn)，其中所述標(biāo)記以相對 于同時(shí)、之前或之后記錄的條紋圖案限定的方式被定位，這樣輔助該方法 和/或輔助校準(zhǔn)該方法所用的裝置。
14、 根據(jù)權(quán)利要求10~ 13任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所 述被估算的片斷線條被密集地置于兩個(gè)圖像中。
15、 根據(jù)權(quán)利要求10~ 14任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于釆 用插值實(shí)現(xiàn)由像點(diǎn)到相位值的子像素精度的分配。
16、 根據(jù)權(quán)利要求10~ 15任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于以 在100 ms和500 ms之間和/或15 Hz和60 Hz之間的圖像重復(fù)率，記錄所 有用于一個(gè)輪廓檢測的條紋圖案及可能額外被投影的標(biāo)記。
17、 根據(jù)權(quán)利要求10-16任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所 述物體包括牙齒、牙齒模型或義齒。
18、 一種根據(jù)權(quán)利要求1~9任一所述裝置的應(yīng)用，用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要 求10~ 17任一所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于三維輪廓的非接觸檢測裝置，包括一投影儀，具有圖像生成元件(1)和投影鏡頭(2)，該投影儀用于將所述圖像生成元件(1)上產(chǎn)生的條紋圖案成像在一物體空間(3)內(nèi)；以及一攝像裝置，包括兩個(gè)攝像鏡頭(4)，用于從兩個(gè)不同方向觀察所述物體空間(3)；所述投影儀和所述攝像裝置一起被容置于一個(gè)能夠被用作手持裝置的測量頭中。本發(fā)明還涉及一種使用所述裝置用于三維輪廓的非接觸檢測方法。
文檔編號G01B11/25GK101558283SQ200780046363
公開日2009年10月14日 申請日期2007年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月16日
發(fā)明者克里斯蒂安·布勞爾-布爾夏特, 彼得·庫姆斯泰德特, 斯特凡·里厄曼, 貢特爾·諾特尼, 馬丁·帕爾梅 申請人:弗蘭霍菲爾運(yùn)輸應(yīng)用研究公司