專利名稱：用于獲得距離和圖像信息的光學(xué)儀器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于獲得物體的距離和圖像信息的光學(xué)儀器和方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)儀器，特別是諸如視頻測(cè)速儀或視頻全站儀的光學(xué)儀器包括復(fù)雜 配置的光學(xué)元件，例如望遠(yuǎn)鏡的透鏡、攝^^和距離測(cè)量裝置，用于獲得 關(guān)于物體的形狀和位置的信息。該信息可包括水平和垂直角以及到物體的 距離和物體的圖像。該信息可接著用于創(chuàng)建物體的三維表示。
然而，在使用這樣的光學(xué)儀器采集圖像之后，三維數(shù)據(jù)的采集是耗費(fèi) 時(shí)間的。例如，為了測(cè)量三維4冊(cè)格，儀器必須連續(xù)地掃描和測(cè)量相應(yīng)于柵 格中的點(diǎn)的每個(gè)位置，這是耗費(fèi)時(shí)間的。
具有成像、方向和距離測(cè)量能力的其它光學(xué)測(cè)量?jī)x器常常包括用于獲 得圖像、方向和距離信息的掃描裝置，其中使用用于激光束偏轉(zhuǎn)的快速旋 轉(zhuǎn)多面鏡。特別地，將距離測(cè)量裝置的激光束掃描在物體上，同時(shí)測(cè)量到 物體上位置的距離，且記錄例如由水平和垂直角指示的、相對(duì)于儀器的原 點(diǎn)或鏡位置到物體上的位置的方向。
這樣的儀器能夠以視頻速率提供包括物體上每個(gè)被掃描位置的距離信 息的物體的圖像。因此，可獲得相應(yīng)于所測(cè)量的位置的多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中
8每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可包括三維信息。當(dāng)然，對(duì)分辨率的要求越高，就需要獲得越 多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，導(dǎo)致必須處理的大量信息，這常常只有在離線時(shí)才是可能的。 雖然上面討論的儀器可獲得對(duì)很多應(yīng)用有足夠的分辨率的物體的三維 表示，但一些應(yīng)用仍然需要更高的分辨率。而且，不可能獲得完全相同的 位置的第二距離測(cè)量，因?yàn)椴豢赡茉诶缧D(zhuǎn)多面鏡上兩次獲得完全相同 的激光束偏轉(zhuǎn)。進(jìn)一步地，因?yàn)橥ǔ１仨毣氐睫k公中離線地完成大量數(shù)據(jù) 的處理，操作員不能現(xiàn)場(chǎng)返回所關(guān)注的特征。因此，雖然對(duì)整個(gè)掃描區(qū)域 來說獲得了相當(dāng)高的分辨率，但如果必須將掃描區(qū)域中的相應(yīng)于所關(guān)注的 一些特征的數(shù)據(jù)分離出來，則這變成一個(gè)缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
因此希望提供一種具有提高的數(shù)據(jù)采集的光學(xué)儀器和方法，其用于提
高圖像采集以^J巨離測(cè)量的精確度和速度。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，用于獲得物體的距離和圖像信息的光學(xué)儀器包括 透鏡布置，其用于觀測(cè)物體；攝#4^，其與透鏡布置的光軸對(duì)齊，用于采 集物體的至少一部分的圖像；距離測(cè)量單元，其用于沿著平行于透鏡布置 的光軸的距離測(cè)量單元的測(cè)量軸測(cè)量到物體的距離；定位單元，其用于相 對(duì)于至少一個(gè)參考軸調(diào)節(jié)透鏡布置的光軸；以及控制單元，其具有第一控 制元件和第二控制元件，第 一控制元件適合于限定圖像中待掃描的區(qū)域、 獲得區(qū)域中物體的物體特征以及在區(qū)域中限定相應(yīng)于物體上多個(gè)位置的多 個(gè)測(cè)量〗象素，在物體特征處有增加密度的測(cè)量像素，而第二控制元件適合 于指示定位單元將透鏡布置的光軸順序地調(diào)節(jié)到物體上的多個(gè)位置上，以 及指示距離測(cè)量單元測(cè)量到物體多個(gè)位置處的距離。因此，物體上多個(gè)位 置的水平和垂直方向以;SJ巨離可被精確和快速地測(cè)量，因?yàn)槎ㄎ粏卧糜?對(duì)每次測(cè)量重新調(diào)節(jié)透鏡布置的光軸，以及因?yàn)榫嚯x信息僅W目應(yīng)于物體 特征的圖像中所關(guān)注的有限數(shù)量的測(cè)量像素獲得。數(shù)據(jù)采集因此被限制到 所關(guān)注的區(qū)域和物體特征，從而可以節(jié)約處理時(shí)間并限制所采集的數(shù)據(jù)量。
根據(jù)有利的例子，第 一控制元件適合于通過操作員選擇區(qū)域中物體特征來獲得物體特征，或通過使用用于探測(cè)區(qū)域中物體的物體特征的探測(cè)算 法處理圖像中的區(qū)域來獲得物體特征。因此，代替獲得不關(guān)注的位置的距 離信息，由操作員選擇所關(guān)注的物體特征，或可以可選地使用探測(cè)算法處 理圖^象中的區(qū)域，以便減少位置調(diào)節(jié)和距離測(cè)量所需的時(shí)間。
根據(jù)另 一有利的例子，第 一控制元件適合于通過操作員選擇圖像中的 區(qū)域來限定待掃描的區(qū)域或通過j吏用用于探測(cè)物體的至少一部分的探測(cè)算 法處理圖像來限定待掃描的區(qū)域。因此，可避免測(cè)量圖像中每個(gè)位置的距 離，操作員可首先研究圖像中所關(guān)注的區(qū)域，或可使用自動(dòng)探測(cè)算法，例 如自動(dòng)圖像處理算法來將待掃描的區(qū)域減小到所探測(cè)的物體。
才艮據(jù)另 一有利的例子，第 一控制元件適合于在待掃描的區(qū)域中限定具 有高測(cè)量像素密度的區(qū)、具有低測(cè)量像素密度的區(qū)以及沒有測(cè)量像素的區(qū) 中的至少一個(gè)。因此，區(qū)域中不同的區(qū)可使用不同的優(yōu)先級(jí)限定，以便減 少位置調(diào)節(jié)和測(cè)量距離的時(shí)間以及數(shù)據(jù)量。
根據(jù)另 一有利的例子，第 一控制元件適合于通過操作員選擇區(qū)域中的 區(qū)來限定區(qū)或通過使用用于探測(cè)區(qū)域中的區(qū)的探測(cè)算法處理區(qū)域來限定 區(qū)。因此，操作員可首先研究待掃描的區(qū)域以例如使用不同的優(yōu)先級(jí)準(zhǔn)確 地限定區(qū)，或可選地，探測(cè)算法可在這方面自動(dòng)提供快速分類。
根據(jù)另一有利的例子，第二控制元件適合于按最小化透鏡布置的光軸 的調(diào)節(jié)的順序掃描區(qū)域中的測(cè)量像素。因此，當(dāng)例如掃描環(huán)形物體時(shí)，可 避免傳統(tǒng)的水平線掃描，更確切地，物體可例如在繞其圓周被掃描，以便 環(huán)形周圍的測(cè)量像素隨后以對(duì)每個(gè)步長(zhǎng)透鏡布置的光軸的調(diào)節(jié)最小的方式 被掃描，減少了測(cè)量時(shí)間。
根據(jù)另 一有利的例子，第 一控制元件適合于通過將輪廓的二維表示《1
入?yún)^(qū)域中并通過在區(qū)域中選擇輪廓的二維表示的輪廓線(outline)處的多 個(gè)像素作為測(cè)量像素，來在區(qū)域中限定多個(gè)測(cè)量l象素。因此，測(cè)量像素在 待掃描的區(qū)域中的分布可根據(jù)待測(cè)量的物體的實(shí)際輪廓來調(diào)節(jié)，例如當(dāng)測(cè) 量隧道中的位置時(shí)的圓柱形輪廓。
根據(jù)另一有利的例子，圖像至少包括第一和第二子圖像，且這至少兩個(gè)子圖像包括多個(gè)測(cè)量像素。因此，圖像可由幾個(gè)子圖像組成，每個(gè)子圖 像中或僅一個(gè)子圖像中有測(cè)量像素。
根據(jù)另 一有利的例子，第 一控制元件適合于限定在第 一子圖像和第二 子圖像的測(cè)量像素之間的待測(cè)量的其它位置。因此，待測(cè)量的位置不限于 相應(yīng)于子圖像的測(cè)量像素的位置，而是距離信息也可從沒有在任何子圖像 上示出的位置獲得。
才艮據(jù)另 一有利的例子，第 一控制元件適合于通過沿著連接至少兩個(gè)測(cè) 量像素的線限定其它位置，或通過使用外插算法來對(duì)由探測(cè)算法所探測(cè)的 第一子圖像和第二子圖像中的至少一個(gè)子圖像中的物體的邊緣或其它物體 特征進(jìn)行外插，來處理第一子圖像和第二子圖像中的至少一個(gè)，由此限定 待測(cè)量的其它位置。因此，可能通過分析子圖像中的至少一個(gè)以例如獲得 沒有在所述至少兩個(gè)子圖像中的任何一個(gè)中顯示的物體特征的一部分的近 似，來測(cè)量到?jīng)]有在子圖像中的任何一個(gè)上顯示的位置的距離。
才艮據(jù)另一有利的例子，定位單元適合于相對(duì)于參考軸系統(tǒng)測(cè)量對(duì)物體 上多個(gè)位置的水平和垂直角。因此，可以在球面坐標(biāo)中獲得物體上的位置。
根據(jù)另一有利的例子，光學(xué)儀器進(jìn)一步包括用于顯示所采集的圖像的 顯示單元。因此，操作員可在現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)觀看所采集的圖像。
才艮據(jù)另 一有利的例子，顯示單元適合于重疊地顯示所采集的圖4象和所 測(cè)量的位置。因此，可在二維顯示器上觀看三維圖像信息。
根據(jù)另一有利的例子，顯示單元是觸摸顯示單元，其用于下列操作中
的至少一個(gè)由操作員限定圖像中待掃描的區(qū)域以及由操作員獲得物體特 征。因此，操作員可簡(jiǎn)單地例如通過觸摸顯示器來限定待掃描的區(qū)域，并 限定物體特征，分別實(shí)現(xiàn)所關(guān)注的區(qū)域和物體特征的快速和準(zhǔn)確的選擇。
根據(jù)另一有利的例子，光學(xué)儀器進(jìn)一步包括轉(zhuǎn)換單元，其用于將多個(gè) 測(cè)量像素轉(zhuǎn)換成待測(cè)量的位置的坐標(biāo)。因此，可能為每個(gè)測(cè)量像素提供相 應(yīng)位置的坐標(biāo)，所述坐標(biāo)可由定位單元使用來調(diào)節(jié)光軸。
根據(jù)另一有利的例子，使用轉(zhuǎn)換算法來執(zhí)行轉(zhuǎn)換。因此，通過給轉(zhuǎn)換 算法提供測(cè)量像素可快速獲得位置的坐標(biāo)。根據(jù)另一有利的例子，使用將每個(gè)測(cè)量像素與待測(cè)量的位置的坐標(biāo)關(guān) 聯(lián)起來的轉(zhuǎn)換表來執(zhí)行轉(zhuǎn)換。因此，通過參考轉(zhuǎn)換表可快速獲得相應(yīng)于測(cè) 量像素的位置的坐標(biāo)，而沒有由于處理數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的任何延遲。
才艮據(jù)另一有利的例子，多個(gè)測(cè)量^^素中的至少兩個(gè)組成核心點(diǎn)(core point)像素，且第一控制元件適合于采用核心位置和光學(xué)儀器之間的默i人 距離將核心點(diǎn)像素轉(zhuǎn)換成待測(cè)量的核心位置的坐標(biāo)的近似，以及第二控制 元件適合于指示定位單元將透鏡布置的光軸調(diào)節(jié)到待測(cè)量的核心位置上， 并指示距離測(cè)量單元測(cè)量到核心位置的距離，其中第一控制元件進(jìn)一步適 合于根據(jù)所測(cè)量的距離再次計(jì)算核心位置的坐標(biāo)。因此，可高度精確地獲 得核心位置的坐標(biāo)，這是因?yàn)樽鴺?biāo)被反復(fù)地獲得，消除了由于才聶像機(jī)和光 學(xué)儀器或距離測(cè)量單元的幾何軸之間的對(duì)齊偏移而產(chǎn)生的任何測(cè)量誤差。
根據(jù)另 一有利的例子，光學(xué)儀器進(jìn)一步包括用于接收控制數(shù)據(jù)的M 器和可分離的遠(yuǎn)程控制單元中的至少一個(gè)以遠(yuǎn)程地控制光學(xué)儀器，可分離 的遠(yuǎn)程控制單元具有操作控制單元、顯示單元和收發(fā)器。因此，操作光學(xué) 儀器的操作員可在光學(xué)儀器附近自由移動(dòng)。
根據(jù)另 一實(shí)施例， 一種用于獲得物體的距離和圖像信息的方法包括 使用透鏡布置觀測(cè)物體，使用與透鏡布置的光軸對(duì)齊的攝#4^采集物體的 至少一部分的圖像，限定圖像中待掃描的區(qū)域，獲得區(qū)域中物體的物體特 征，在區(qū)域中限定相應(yīng)于物體上的多個(gè)位置的多個(gè)測(cè)量像素，在物體特征 處有增加密度的測(cè)量〗象素，相對(duì)于至少一個(gè)參考軸將透鏡布置的光軸順序 地調(diào)節(jié)到物體上的多個(gè)位置上，以及測(cè)量到物體多個(gè)位置處的距離。
根據(jù)另一實(shí)施例，可提供一種程序，其包括適合于使數(shù)據(jù)處理裝置執(zhí) 行具有上面的特征的方法的指令。
根據(jù)另一實(shí)施例，可提供一種包含程序的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中程序 用于使計(jì)算機(jī)執(zhí)行具有上面的特征的方法。
根據(jù)另 一實(shí)施例，可提供一種包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
在權(quán)利要求中公開了本發(fā)明的進(jìn)一步有利的特征。


圖l示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光學(xué)儀器；
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于獲得距離和圖像信息的方法的操
作；
圖3示出具有裂縫的建筑物的圖像，用于解釋圖2所示方法的操作； 圖4示出建筑物的角的圖像，用于更詳細(xì)地解釋圖2的方法的操作； 圖5示出風(fēng)景的圖像，用于解釋根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的方法的操
作；
圖6示出圖2所示方法的修改的操作； 圖7示出圖2所示方法的修改的操作；
圖8示出待掃描的圓柱體，用于解釋根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的方法 的操作；
圖9示出圖2所示方法的修改的操作； 圖IO示出疊加有子圖像的結(jié)構(gòu)，用于解釋圖9所示的方法； 圖11示出用于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例獲得精確的距離和圖像信息的方 法的操作，特別示出預(yù)掃描操作；
圖12A到12C示出多面體的圖^f象，用于解釋圖ll所示方法的操作； 圖13示出圖11所示方法的修改的操作；
圖14示出用于根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例獲得精確的距離和圖像信息 的方法的操作，該方法合并圖9和11所示方法的幾個(gè)方面； 圖15示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光學(xué)儀器的元件；以及 圖16示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光學(xué)儀器的元件，特別是具有遠(yuǎn)程控 制能力的光學(xué)儀器。
具體實(shí)施例方式
參考附圖描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。注意，下面的描述僅包括例子， 且不應(yīng)被解釋為限制本發(fā)明。
本發(fā)明的實(shí)施例通常涉及獲得物體的距離和圖像信息，具體地，涉及
13通過智能地選擇待測(cè)量的位置來提高數(shù)據(jù)采集的速度，并通過再次計(jì)算物 體上選定位置的坐標(biāo)來提高數(shù)據(jù)采集的精確度。簡(jiǎn)而言之，可采集圖像， 并限定待掃描的區(qū)域和物體的物體特征，其中相應(yīng)于物體上的位置的測(cè)量 像素可被限定在區(qū)域中，在物體特征處有增加密度的測(cè)量像素。隨后，在 所述位置處測(cè)量到的物體的距離。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光學(xué)儀器100的元件，光學(xué)儀器100 包括控制單元150和采集單元160。
控制單元150連接到采集單元160以交換數(shù)據(jù)，例如，控制單元可指 示采集單元160采集數(shù)據(jù)，且所采集的數(shù)據(jù)被發(fā)送到控制單元150?？稍O(shè) 想任何類型的數(shù)據(jù)傳輸，例如固定線或無線數(shù)據(jù)傳輸。
控制單元150包括笫一控制元件152和第二控制元件154，其可由諸 如硬連線電路的硬件配置或ASIC (專用集成電路)或軟件或上面各項(xiàng)的 任何適當(dāng)組合實(shí)現(xiàn)。下面將詳細(xì)描述由第一控制元件152和第二控制元件 154執(zhí)行的功能。
采集單元160包括透鏡布置110、才聶^J^ 120、距離測(cè)量單元130和定 位單元140，其中這些元件的操作由控制單元150控制。
在一個(gè)例子中，透鏡布置110包括可沿著機(jī)械路徑移動(dòng)以便聚焦到物 體上的聚焦透鏡以及優(yōu)選地包括形成望遠(yuǎn)鏡的至少兩個(gè)透鏡，用于觀測(cè)物 體的透鏡布置限定光軸。
攝^4/L 120與透鏡布置的光軸對(duì)齊以采集物體的至少一部分的圖像， 并優(yōu)選地位于透鏡布置之后的圖像平面中，其可由任何適當(dāng)?shù)某上衿骷M 成，例如能夠產(chǎn)生圖像信息的傳感器元件的二維陣列，其中該圖像信息的 像素的數(shù)量通常相應(yīng)于該陣列的元素的數(shù)量，例如電荷耦合器件(CCD) 才聶像機(jī)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)攝像機(jī)。這樣的傳感器陣列可 由1000x1000個(gè)傳感器元件組成，以產(chǎn)生具有106個(gè)圖傳_像素的數(shù)字圖像。 在光學(xué)儀器例如視頻測(cè)速儀或視距儀中，實(shí)際觀察方向可由例如發(fā)自陣列 的中心處或附近的傳感器元件的二維配置的元件之一或其上一點(diǎn)并通過至 少一個(gè)透鏡的視線限定。提供了采集單元160的距離測(cè)量單元130,其用于測(cè)量沿著平行于透 鏡布置的光軸的距離測(cè)量單元的測(cè)量軸的從光學(xué)儀器到物體的距離?？蛇x 地，測(cè)量軸也可與光軸重合。
進(jìn)一步地，距離測(cè)量單元130向控制單元150提供相應(yīng)的測(cè)量值。例 如，距離測(cè)量單元130包括相干光源例如紅外激光器或本領(lǐng)域已知的另一 適當(dāng)?shù)募す饩嚯x測(cè)量器件以及優(yōu)選地包括快速的無反射器式EDM (fast reflector-less working EDM)。
提供了用于相對(duì)于至少一個(gè)參考軸調(diào)節(jié)透鏡布置的光軸的定位單元 140。例如，定位單元140由機(jī)電配置實(shí)現(xiàn)，該機(jī)電配置優(yōu)選地包括用于精 確定位采集單元160的磁性伺服驅(qū)動(dòng)器或其它快速驅(qū)動(dòng)器。
注意，圖1中的定位單元14(M皮示為形成采集單元160的部分，但定 位單元也可獨(dú)立地設(shè)置在光學(xué)儀器中，因?yàn)樗糜趯⑼哥R布置110、損L像 機(jī)120和距離測(cè)量單元130移動(dòng)到能夠觀測(cè)物體的位置且可選地在該位置 處對(duì)物體進(jìn)行距離測(cè)量。
因?yàn)槎ㄎ粏卧?40包括可移動(dòng)的部件，例如驅(qū)動(dòng)器，定位單元的部分 維持其在空間中的位置，即，其位置相對(duì)于例如三腳架固定，光學(xué)儀器放 置在該三腳架上，且定位單元140的部分在空間中相對(duì)于固定坐標(biāo)系移動(dòng)， 該坐標(biāo)系例如由光學(xué)儀器的所有三個(gè)軸的交叉點(diǎn)(被稱為原點(diǎn))以及其與 底部例如三腳架、臺(tái)或支架(未示出)的對(duì)準(zhǔn)限定。
在圖1所示配置的操作期間，控制單元150控制采集單元160，從而 第一控制元件152在所采集的圖^^中限定待掃描的區(qū)域，獲得物體在該區(qū) 域中的物體特征，并在該區(qū)域中限定相應(yīng)于物體上多個(gè)位置的多個(gè)測(cè)量像 素，在物體特征處有增加密度的測(cè)量像素。
在圖像的區(qū)域中限定了測(cè)量像素之后，獲得相應(yīng)于這些位置的方向并 將其發(fā)送到第二控制元件154。隨后，第二控制元件154指示定位單元將 透鏡布置的光軸順序地調(diào)節(jié)到物體上的多個(gè)位置上，并指示距離測(cè)量單元 對(duì)每個(gè)位置測(cè)量到物體的距離。
在下文中，將關(guān)于圖2描述光學(xué)儀器的操作。圖2示出用于在例如圖
15l所示光學(xué)儀器的操作期間獲得距離和圖像信息的方法的操作的流程圖。
光學(xué)儀器可由視頻測(cè)量?jī)x器組成，例如視頻經(jīng)綽儀或視頻測(cè)速儀，也 稱為準(zhǔn)距儀或全站儀或用于確定物體的位置并采集物體的圖像的任何其它 類型的光學(xué)儀器。光學(xué)儀器優(yōu)選地在預(yù)先進(jìn)行的對(duì)優(yōu)選地已知的物體上的 分立的位置的校準(zhǔn)測(cè)量(如以后描述的)或如任何其它校準(zhǔn)技術(shù)獲得的校 準(zhǔn)測(cè)量的基礎(chǔ)上安設(shè)。
在第一操作210中，當(dāng)開始操作時(shí)，使用透鏡布置例如透鏡布置110 觀測(cè)物體。使用透鏡布置110觀測(cè)物體優(yōu)選地包括相對(duì)于光學(xué)儀器的至少 一個(gè)參考軸調(diào)節(jié)透鏡布置的光軸，4吏得透鏡布置的光軸指向物體的方向。 換句話說，在適當(dāng)情況下，由光軸組成的實(shí)際觀察方向與物體對(duì)齊。
在隨后的操作220中，使用與透鏡布置的110的光軸對(duì)齊的攝#4^120 采集物體的至少一部分的圖像。該采集可例如在某段時(shí)間消逝之后被自動(dòng) 觸發(fā)，或被操作員觸發(fā)。應(yīng)指出，取決于物體的大小和距離，攝H4^的視 場(chǎng)可能不夠采集整個(gè)物體，其可能為一個(gè)建筑物、兩個(gè)建筑物或街區(qū)或甚 至為城市的部分。在某些應(yīng)用中，因而可能必須采集幾個(gè)圖像(在后文描 述，且稱為子圖像)以組成整個(gè)物體的圖像。
在操作230中，在根據(jù)操作210和220觀測(cè)物體并采集物體的至少一 部分的圖像之后，在所采集的圖4象中限定待掃描的所關(guān)注的區(qū)域。例如， 手工地或通過使用用于探測(cè)物體或物體的至少一部分的探測(cè)算法處理圖 像，來限定待掃描的區(qū)域。這可通過應(yīng)用于組成圖像的像素?cái)?shù)據(jù)的任何適 當(dāng)?shù)膱D像處理算法來實(shí)現(xiàn)。
例如，考慮在中心有建筑物的風(fēng)景，探測(cè)算法可區(qū)別建筑物與周圍的 地區(qū)，例如田野和樹木，因而可將建筑物限定為所關(guān)注的區(qū)域，即，待掃 描的區(qū)域。
可選地，也是可行的是，將圖l象顯示在任何適當(dāng)?shù)娘@示單元上并將關(guān) 于待掃描的區(qū)域的決定留給操作員，操作員可例如使用計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)或其它 指示設(shè)備點(diǎn)擊圖像的像素，以限定待掃描的區(qū)域。進(jìn)一步地，在觸摸顯示 單元上顯示圖像可能是優(yōu)選的，其中像素只須由操作員觸摸，來指示待掃在操作240中，獲得區(qū)域中物體的物體特征，即，更詳細(xì)地分析或處 理作為整個(gè)采集的圖像的部分的區(qū)域，以獲得在該區(qū)域中顯示的物體的較 小的不同的特征。通過使用用于探測(cè)物體特征例如建筑物的角或窗戶或建 筑物墻壁中的裂縫的探測(cè)算法來處理圖像中的區(qū)域，可獲得這樣的物體特 征。
探測(cè)算法可為現(xiàn)有技術(shù)中已知的探測(cè)物體中的邊緣或其它不連續(xù)的變 化的任何適當(dāng)?shù)膱D像處理算法?？蛇x地，如上所述，操作員可通過使用計(jì) 算機(jī)鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖像中的某些像素或通過使用手指或筆觸摸觸敏顯示單元來 直接加亮所顯示的圖像中的物體特征，這也是可行的。
在操作250中，在區(qū)域中限定相應(yīng)于物體上多個(gè)位置的多個(gè)測(cè)量1象素， 其中在物體特征處限定增加密度的測(cè)量像素。
詳細(xì)地， 一旦待掃描的區(qū)域被限定且物體特征被獲得，則第一控制元 件152就在該區(qū)域中限定多個(gè)測(cè)量像素。例如，操作員可預(yù)先設(shè)置第一控 制元件152以在區(qū)域中每十個(gè)像素限定一測(cè)量像素，以便以后對(duì)于相應(yīng)于 所限定的測(cè)量像素的、物體上的每個(gè)位置獲得測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量像素的數(shù)量 和兩個(gè)測(cè)量像素之間的間隔可取決于期望柵格密度和要求的精確度。
必須注意，柵格越密以及精確度越高，所需的掃描時(shí)間就越長(zhǎng)。因此， 設(shè)置掃描時(shí)間并對(duì)預(yù)設(shè)時(shí)間計(jì)算最大可能的柵格密度和精確度也是可行 的。類似地，因?yàn)槲矬w處的變化在不同的物體特征處較大，優(yōu)選地在這樣 的物體特征處增加測(cè)量像素的密度。例如，在所探測(cè)的物體特征處，區(qū)域 的每?jī)蓚€(gè)像素可限定一測(cè)量像素，以便可獲得比區(qū)域的其余部分高五倍的 分辨率。如上所述的關(guān)于柵格密度、精確度和掃描時(shí)間的相同考慮因素也 適用于在物體特征處的測(cè)量像素。可選地，操作員將單獨(dú)的像素限定為測(cè) 量像素也是可行的，然而這可能麻煩且非常耗費(fèi)時(shí)間。
在操作260中，透鏡布置的光軸被順序地調(diào)節(jié)在多個(gè)位置上，即，第 二控制元件154指示定位單元調(diào)節(jié)透鏡布置的光軸，以便光軸順序地指向 物體上待測(cè)量的以便定位單元能夠?qū)⑼哥R布置特別是距離測(cè)量單元移動(dòng)到新的方位以指向 該位置。
在這里，注意，這些坐標(biāo)可僅組成關(guān)于待測(cè)量的位置的方向的坐標(biāo)， 例如水平和垂直角，其容易從圖像中像素的位置得到，如以后將描述的。
最后，在操作270中，測(cè)量到物體多個(gè)位置處的距離。 詳細(xì)地，在圖2所示的例子中，首先，將光軸調(diào)節(jié)到第一位置(操作 260)并測(cè)量到該第一位置的距離(操作270)，接著將光軸調(diào)節(jié)到第二位 置(操作260)并測(cè)量到該第二位置的距離(操作270)，直到測(cè)量了到多 個(gè)位置的所有距離，如操作280指示的。
對(duì)于該測(cè)量，使用脈沖法，其中測(cè)量信號(hào)的傳播時(shí)間例如光脈沖的傳 播時(shí)間，其直接與距離成正比，因?yàn)楣馑俸徒橘|(zhì)例如空氣的折射率是已知 的。可選地，可^f吏用稱為相位法的方法，其比較從儀器的發(fā)送的波的相位 與反射回的波的相位。然而，因?yàn)榫嚯x通常大于波長(zhǎng)，結(jié)果是不明確的， 這可由如在外差相位探測(cè)中的幾個(gè)發(fā)送頻率來解決。
因此，通過對(duì)每次距離測(cè)量重新調(diào)節(jié)透鏡布置的光軸并使用相干光發(fā) 射器件例如激光器使用上述方法之一對(duì)每個(gè)位置分立地測(cè)量距離，來高度 精確地測(cè)量到物體多個(gè)位置處的距離。
注意，本實(shí)施例不限于上面描述的操作的時(shí)間順序，而是可設(shè)計(jì)導(dǎo)致 相同的結(jié)果的操作的其它時(shí)間順序。
在關(guān)于圖3和4的下文中，更詳細(xì)地描述了前面描述的操作的例子。 圖3特別示出存在不同的物體特征并可執(zhí)行上述操作的情況。 詳細(xì)地，圖3示出建筑物330的圖像，其中建筑物330的墻壁中的裂 縫或其它破裂320被研究。建筑物的圖像可由圖l所示的光學(xué)儀器采集。 在這里，光學(xué)儀器310僅為了示例的目的示出，以解釋掃描程序，應(yīng)理解， 光學(xué)儀器不是在物理上掃描圖像內(nèi)的區(qū)域，而是掃描包括現(xiàn)實(shí)中的物體的 三維場(chǎng)景。圖像顯示在光學(xué)儀器的顯示器上，該顯示器優(yōu)選地可從該儀器 移除以被四處攜帶。
圖3所示的圖像包括多個(gè)像素，且為了示例的目的，少量測(cè)量像素被顯示為沿著虛線之間的裂縫320的點(diǎn)。例如，待掃描的區(qū)域可被限定為建 筑物330或墻壁340，且物體特征是墻壁340上的裂縫。
除了在裂縫附近，沒有測(cè)量像素顯示在墻壁340上，但從上面的描述 很清楚，測(cè)量像素也可被限定在墻壁上，然而，因?yàn)槌肆芽p以外在墻壁 上沒有進(jìn)一步的更改或變化，因而，在墻壁上的測(cè)量像素的密度可比沿著 裂縫的密度小得多?？筛敿?xì)地測(cè)量組成例如物體特征的裂縫320，其中 在從底部到頂部的垂直線上掃描增加密度的測(cè)量^f象素。
如上所述，待掃描的區(qū)域例如建筑物330或墻壁340可由操作員限定 或通過探測(cè)圖像中建筑物330或墻壁340的探測(cè)算法限定。 一旦選擇了區(qū) 域，就可執(zhí)行對(duì)該區(qū)域的更詳細(xì)的分析，其中物體特征例如裂縫320由操 作員獲得或通過探測(cè)墻壁340上的不規(guī)則性的算法獲得。
圖4特別示出用于掃描建筑物或其它物體的所關(guān)注的特征的情況。圖 4示出物體的一部分例如建筑物430的角420的圖像，其中待掃描的區(qū)域 被限定為建筑物430的側(cè)壁，該區(qū)域可由操作員限定或通過如上所述的探 測(cè)算法限定。光學(xué)儀器410僅為了示例的目的示出，因?yàn)樵趫D4中圖傳4皮 再次示出而不是真實(shí)的建筑物。
在本例中，建筑物430的角420可組成物體特征，并可通過操作員操 作光學(xué)儀器獲得，或通過如上所述的探測(cè)區(qū)域中的變化的探測(cè)算法獲得。 因此，如在操作250中解釋的，相應(yīng)于現(xiàn)實(shí)中物體上多個(gè)位置的多個(gè)測(cè)量 像素被限定，且測(cè)量像素的密度在角420處增加，即，圖4所示的垂直掃 描示出在角420周圍的增加密度的掃描線，因?yàn)檫@組成在待掃描的區(qū)域中 不連續(xù)的變化，其必須被更詳細(xì)地分析。
在限定圖像中的測(cè)量像素之后，光學(xué)儀器可接著開始測(cè)量到物體的相 應(yīng)于多個(gè)測(cè)量像素的多個(gè)位置處的實(shí)際距離。因此，透鏡布置的光軸^皮順 序地調(diào)節(jié)到多個(gè)位置上。例如，在左角中的左上測(cè)量像素開始，定位單元 140將采集單元移動(dòng)到相應(yīng)于左上測(cè)量像素的位置的坐標(biāo)，且進(jìn)行測(cè)量。 隨后，定位單元將位置改變到相應(yīng)于左上測(cè)量^象素之下的一個(gè)測(cè)量l象素的 位置，依此類推。圖5特別示出形成所關(guān)注的區(qū)域的多個(gè)區(qū)。在這里，圖像顯示有幾個(gè) 區(qū)510、 520和530。
在本例中，待掃描的區(qū)域由區(qū)510和520限定，區(qū)510和520是分別 具有低測(cè)量像素密度和高測(cè)量像素密度的區(qū)?？筛鶕?jù)重要性、分辨率要求 和精確度要求指定區(qū)，從而有可能在不同的區(qū)內(nèi)花費(fèi)不同的掃描時(shí)間。對(duì) 于在結(jié)構(gòu)中具有小變化的區(qū)，可將區(qū)指定為具有低測(cè)量像素密度的區(qū)，對(duì) 于在結(jié)構(gòu)中具有較大變化的區(qū)，可將區(qū)指定為具有高測(cè)量像素密度的區(qū)， 以及對(duì)于不關(guān)注的區(qū)例如圖5中的天空和樹，可將區(qū)指定為沒有測(cè)量像素 的區(qū)。
對(duì)這些不同的區(qū)的限定可由觀察圖像的操作員來執(zhí)行或通過執(zhí)行包括 對(duì)比度、顏色、圖案和邊緣探測(cè)的圖像分析的算法來執(zhí)行。該分析將探測(cè) 類似特性的區(qū)域并將其合并到區(qū)中。所得到的區(qū)可接著按照其特性或重要 性通過算法自動(dòng)分類或由操作員分類。
用于分類的算法對(duì)不同的應(yīng)用例如隧道、建筑結(jié)構(gòu)、法庭等可以有不 同的分布。進(jìn)一步地，可限定需要被更詳細(xì)地分析的區(qū)，例如以與上面描 述的類似的方式探測(cè)物體特征，如建筑物510的墻壁中的裂縫(未示出)。 在區(qū)的選擇和分析之后，可僅使用例如在區(qū)域中限定的測(cè)量像素的十分之 一來測(cè)量到相應(yīng)位置的距離，而執(zhí)行第一粗略掃描，以估計(jì)待掃描的區(qū)域 的掃描時(shí)間，以便操作員可決定掃描具有前面選擇的區(qū)的區(qū)域或?qū)^(qū)再次 選擇不同的測(cè)量像素密度，以加速掃描。使用粗略掃描一如下面將描述的 預(yù)掃描可能是有利的。
因此，可減少掃描時(shí)間，導(dǎo)致減小的功率消耗以及減少對(duì)光學(xué)儀器的 服務(wù)和校準(zhǔn)的需要。
在下文中，將關(guān)于圖6描述進(jìn)一步的實(shí)施例，具體地示出掃描程序。 圖6描述了對(duì)前面關(guān)于圖2討論的方法的修改。在圖6的方法中，操作210 到240與前面關(guān)于圖2討論的相同。進(jìn)一步地，圖6所示的操作650與關(guān) 于圖2描述的操作250相同，因此不進(jìn)一步詳細(xì)地解釋，以避免不必要的 重復(fù)。
20在操作660中，透鏡布置的光軸再次被連續(xù)地調(diào)節(jié)到物體上的多個(gè)位 置上，但現(xiàn)在，該調(diào)節(jié)被執(zhí)行成，當(dāng)掃描測(cè)量像素時(shí)使定位單元的移動(dòng)最 小化。接著，在操作670中，測(cè)量到物體多個(gè)位置處的距離。
詳細(xì)地，如關(guān)于圖2描述的，首先，將光軸調(diào)節(jié)到需要透鏡布置的最 小調(diào)節(jié)的第一位置(操作660 ),并測(cè)量到該第一位置的距離(操作670 )， 接著將光軸調(diào)節(jié)到相對(duì)于第一位置需要最小調(diào)節(jié)的第二位置(操作660)， 并測(cè)量到該第二位置的距離(操作670)。重復(fù)操作660和670，直到測(cè)量 了到多個(gè)位置的所有距離，如操作680所示。
圖6的操作被描述為應(yīng)用于前面的例子。
圖3和4分別示出水平和垂直掃描，但存在某些情況，其中例如當(dāng)不 同的掃描策略導(dǎo)致更快的掃描時(shí)，對(duì)測(cè)量像素進(jìn)行不同地掃描以及相應(yīng)地 將光軸調(diào)節(jié)在待被測(cè)量的相應(yīng)位置上可能更合適。
例如，假定有環(huán)形物體，通過垂直或水平掃描線掃描來掃描物體可能 耗費(fèi)時(shí)間，因?yàn)樗P(guān)注的測(cè)量像素不形成線或筆直的幾何結(jié)構(gòu)，因此，當(dāng) 完成對(duì)相應(yīng)于物體的一側(cè)上的測(cè)量像素的位置的測(cè)量時(shí)，光軸必須被大角 度調(diào)節(jié)，以測(cè)量在另一側(cè)上的環(huán)形物體的相應(yīng)部分，例如當(dāng)在水平掃描中 在左側(cè)上開始時(shí)的右側(cè)。
因此，沿著環(huán)形物體的圓周進(jìn)行距離測(cè)量可能是優(yōu)選的，以便沿著環(huán) 形物體的圓周 一個(gè)接一個(gè)地調(diào)節(jié)光軸，將一次測(cè)量到下一次測(cè)量的必要的 調(diào)節(jié)最小化。
在某些應(yīng)用中，在待掃描的區(qū)域中沿著預(yù)定輪廓限定多個(gè)測(cè)量像素可 能是有用的。將關(guān)于圖7討論這樣的情況。
在下文中，將關(guān)于圖7和8描述本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例，圖7和8 特別示出在限定測(cè)量像素的過程中引入將例如三維輪廓投影到圖像上。圖 7示出對(duì)關(guān)于圖2討論的方法的另一修改。圖7中的前4個(gè)操作可與關(guān)于 圖2討論的操作210到240相同，因此不進(jìn)一步討論，以避免重復(fù)。
在操作750中，通過將輪廓的二維表示引入到圖像中并通過將在輪廓 的二維表示的輪廓線處的多個(gè)像素選擇為測(cè)量像素，來限定相應(yīng)于物體上多個(gè)位置的多個(gè)測(cè)量像素，在物體特征處有增加密度的測(cè)量像素。操作770 和780相應(yīng)于操作270和280。
換句話說，在本實(shí)施例中，測(cè)量像素由預(yù)定的輪廓或形狀限定，預(yù)定 的輪廓或形狀例如為二維幾何結(jié)構(gòu)如正方形、三角形、圓形或任何類型的 多邊形以及三維幾何結(jié)構(gòu)如圓柱體、立方體、長(zhǎng)方體、球體或這些幾何結(jié) 構(gòu)的部分。
特別地，在三維輪廓的情況下，該輪廓的二維表示被引入到圖像中， 即，該二維表示覆蓋或疊加在圖像上，且輪廓的二維表示的輪廓線處的多 個(gè)像素被選擇和限定為測(cè)量像素，對(duì)這些測(cè)量像素必須測(cè)量到相應(yīng)位置的 距離。
例如，這種限定測(cè)量^^素的方法在應(yīng)用中可能是有用的，其中，需要 測(cè)量其上的位置的物體具有類似于所述輪廓的某種形狀。 一個(gè)例子可為在 隧道中測(cè)量位置的光學(xué)儀器的應(yīng)用。因此，將圓柱體的輪廓的二維表示投 影到圖像中而不是使用X、 Y和Z方向可能是有利的，在柱面坐標(biāo)系中測(cè) 量到位置的距離可能更合適，因?yàn)檫@樣的柱面坐標(biāo)系較接近于物體的實(shí)際 形狀。
在這里，可能提到，物體上的位置可由笛卡爾坐標(biāo)限定，笛卡爾坐標(biāo) 關(guān)于具有彼此正交的三個(gè)軸的笛卡爾坐標(biāo)系被定義。然而，為了測(cè)量位置， 球面坐標(biāo)在一些情況下可能更合適。
物體的位置可在球面坐標(biāo)中相應(yīng)地以其到正交坐標(biāo)系的原點(diǎn)的距離、 在坐標(biāo)系的水平軸之一與連接坐標(biāo)系的原點(diǎn)和該位置在水平面上的投影的 線之間的角(水平角)、以及最后在垂直于水平面的坐標(biāo)系軸與連接坐標(biāo) 系的原點(diǎn)和該位置的線之間的垂直角限定。笛卡爾坐標(biāo)可轉(zhuǎn)換成球面坐標(biāo)， 反之亦然。通常，坐標(biāo)系的原點(diǎn)被置于光學(xué)儀器中，也最佳地與攝^4^的 投影中心重合，如以后將討論的。
定位單元可適合于相對(duì)于參考軸系統(tǒng)，例如原點(diǎn)位于光學(xué)儀器中的笛 卡爾坐標(biāo)系來測(cè)量相對(duì)于物體上多個(gè)位置的水平和垂直角。
然而，如圖8所述，也可能將坐標(biāo)系的原點(diǎn)放置在物體中，以得到物體坐標(biāo)系，這在圖8的例子中通過柱面坐標(biāo)系給出。接著，光學(xué)儀器可在 柱面坐標(biāo)系中掃描圓柱體810的輪_廓，在隧道中執(zhí)行測(cè)量的情況下，這可 能更合適。
在下文中，關(guān)于圖9和10描述了進(jìn)一步的實(shí)施例，圖9和10特別示 出用于構(gòu)成所關(guān)注的區(qū)域的幾個(gè)子圖像。特別地，將解釋的是，也可對(duì)沒 有在任何子圖像中示出的位置進(jìn)行測(cè)量。
圖9示出用于根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例獲得物體的距離和圖像信息的 方法。圖9中的操作910可與圖2中的操作210相同，其中使用透鏡布置 例如圖1所示光學(xué)儀器的透鏡布置110來觀測(cè)物體。
在操作920中，采集物體的至少一部分的圖像，其中圖像至少包括第 一和第二子圖像。
換句話說，如果必須被采集的圖像大于光學(xué)儀器的攝t^U的視場(chǎng)，例 如，如果物體非常接近或非常大，通過將攝^^L的視場(chǎng)從相應(yīng)于第一子圖 像的位置移動(dòng)到相應(yīng)于第二子圖像的位置并順序地使用攝像機(jī)采集子圖 像，由攝#^幾采集至少兩個(gè)子圖像。該程序也在圖10示出，圖10示出長(zhǎng) 立方體和6個(gè)子圖像，其中，例如第一子圖像1010在長(zhǎng)立方體或塊的邊緣 上的第一位置1015處4皮拍才聶，而第二子圖l象1020在長(zhǎng)立方體的在第一位 置上方的另一角處的不同位置1025處被采集。
回來參考圖9，在操作930中，在圖像中限定待掃描的區(qū)域，與圖2 所示的操作230類似。然而，在圖IO所示的例子中，待掃描的區(qū)域由第一 和第二子圖像1010和1020、以及例如進(jìn)一步的子圖像1030、 1040、 1050 和1060的一部分中的至少一個(gè)組成。
在操作940中，獲得在區(qū)域中物體的物體特征。這樣的物體特征可如 前所述由操作員或通過探測(cè)算法在第一和第二子圖像中的至少一個(gè)中限 定，并可在圖10中由在第一子圖像1010中獲得的長(zhǎng)立方體的表面1080 的左下角表示。子圖像IOIO中的物體特征在子圖像中由虛線表示。
在操作950中，相應(yīng)于物體上多個(gè)位置的多個(gè)測(cè)量像素被限定在區(qū)域 中，在物體特征處有增加密度的測(cè)量像素。在圖IO的例子中，僅分別參考
23第一和第二子圖像1010和1020，這意味著兩個(gè)子圖像包括多個(gè)測(cè)量像素。 這些測(cè)量像素相應(yīng)于物體上在虛線上的位置，而這里所說的虛線是在第一 或第二子圖像中示出的虛線。
在操作955中，通過4吏用外插算法處理第一和第二子圖像中的至少一 個(gè)來限定在第一和第二子圖像的測(cè)量#>素之間待測(cè)量的其它位置。該操作
考慮到可能有未在子圖像之一上示出的物體的部分，但這些部分的所關(guān)注 的特征可容易從所采集的子圖像中給出的信息得到。
再次參考圖IO所示的例子，觀察第一和第二子圖像，可容易認(rèn)識(shí)到， 表面1080的左邊緣的下部分繼續(xù)在垂直方向上延伸，且在第二子圖像1020 中可容易認(rèn)識(shí)到，表面1080的左邊緣的上部分向下延伸，連接第一子圖像 1010的左下邊緣。
通過處理兩個(gè)子圖像，可容易沿著連接兩個(gè)子圖像中示出的物體特征的線 限定其它位置，或通過使用外插算法用于外插表面1080的左下邊緣一直到 左上邊緣來限定其它位置。
因此，也可測(cè)量相應(yīng)于置于第一和第二子圖像之間的虛擬子圖像的測(cè) 量像素的位置。
最后，在操作960和970中，將透鏡布置的光軸再次順序地調(diào)節(jié)到待 測(cè)量的位置上，且如在操作270中的，對(duì)到所有位置的所有距離，在所述 位置處測(cè)量到物體的距離，如操作980所示。
上文關(guān)于圖10所示的例子解釋了圖9，但僅限于兩個(gè)子圖像。如圖10 所示，可考慮復(fù)雜得多的^Mt。例如，可采集表面1080的所有4個(gè)角的4 個(gè)子圖4象1010、 1020、 1030、 1040，并可測(cè)量這些子圖像之間的位置。
可注意到，圖10所示的6個(gè)子圖像和虛線可表示待掃描的區(qū)域的范圍， 即，由6個(gè)子圖像1010、 1020、 1030、 1040、 1050和1060中的6個(gè)小圓 指示的6個(gè)角所構(gòu)成的多邊形。
最后，可注意到，也可類似地測(cè)量由表面1080和IO卯限定的邊緣， 雖然沒有顯示虛線。也就是說，邊緣可通過探測(cè)算法探測(cè)為物體特征，或由操作員選擇為物體特征，以便沿著邊緣限定增加數(shù)量的測(cè)量像素，且在 子圖像構(gòu)成的多邊形區(qū)域中限定較少數(shù)量的測(cè)量像素。此外，可在區(qū)域中，
即，在表面1080和10卯上限定多個(gè)測(cè)量像素，或可執(zhí)行具有預(yù)定的步長(zhǎng) 大小的簡(jiǎn)單的線掃描。
圖10也可用于解釋本發(fā)明的另 一實(shí)施例。該實(shí)施例可稱為校準(zhǔn)或預(yù)掃 描程序，其中高精度地測(cè)量選定的位置。
在這里，假定在圖10中物體上分別相應(yīng)于子圖像1010和子圖像1020 中兩個(gè)小圓1015和1025的位置組成核心點(diǎn)《象素，即，相應(yīng)于物體的核心 位置的測(cè)量像素，對(duì)核心位置應(yīng)獲得精確的距離測(cè)量。例如，這些位置是 區(qū)域中或物體的邊緣處的或其它不連續(xù)的變化處的位置。
采用到核心位置的默iU巨離，將圖像的這些核心點(diǎn)像素轉(zhuǎn)換成對(duì)待測(cè) 量的核心位置的坐標(biāo)的近似，其中將在下面更詳細(xì)地描述該轉(zhuǎn)換。
在下一操作中，透鏡布置的光軸被定位單元140調(diào)節(jié)到待測(cè)量的核心 位置上，且到選定核心位置的距離被測(cè)量，如上所述。
最后，才艮據(jù)所測(cè)量的距離再次計(jì)算核心位置的坐標(biāo)，即，核心點(diǎn)^象素 再次轉(zhuǎn)換成核心位置的坐標(biāo)，然而，該轉(zhuǎn)換現(xiàn)在基于被測(cè)量的距離而不是
默iu巨離，以便可在水平和垂直角以;o巨離上獲得位置的甚至更精確的結(jié)
果。下面將關(guān)于圖11和12A到12C更詳細(xì)地描述該預(yù)掃描程序。
應(yīng)注意，上述方法不限于核心點(diǎn)像素，實(shí)際上如果應(yīng)獲得高度精確的 結(jié)果，則每個(gè)測(cè)量像素可組成核心點(diǎn)像素。然而，已經(jīng)證明，僅僅非常精 確地計(jì)算一些位置通常就足以或多或少設(shè)定其中可預(yù)期變化的范圍。
在下文中，將詳細(xì)描述將圖像中的測(cè)量像素轉(zhuǎn)換成物體上的真實(shí)位置 的坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換操作。
在具有攝^4^和距離測(cè)量單元的理想光學(xué)儀器中，攝^^幾的投影中心 與光學(xué)儀器的所有三個(gè)軸的交叉點(diǎn)相同，且沿著垂直于圖像平面的方向從 交叉點(diǎn)進(jìn)行距離測(cè)量。接著，圖像平面的中心，例如一像素，是距離測(cè)量 單元的激光所照射的位置的確切圖像。理想地，因此可能給在光學(xué)儀器周 圍的真實(shí)空間中的每個(gè)位置分配圖像平面中的像素。因?yàn)閿z^^幾可繞著垂直軸旋轉(zhuǎn)以相對(duì)于儀器的底部例如三腳架或其它
支架固定地水平轉(zhuǎn)動(dòng)(pan)，并可繞著垂直轉(zhuǎn)動(dòng)軸(tilting axis )旋轉(zhuǎn)， 可在儀器周圍拍攝球面的圖像。例如，通過將單獨(dú)的圖像拼接在一起可拍 攝全景圖寸象。
進(jìn)一步地，理想攝4象機(jī)的光軸應(yīng)垂直于圖^^平面，并應(yīng)與光學(xué)系統(tǒng)例 如透鏡布置110的光軸重合，且光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)沒有像差或失真。
然而，上面僅構(gòu)成具有理想揭/f象機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)的理想化，且不應(yīng)采取 這樣的理想條件。因此，存在對(duì)空間中位置和圖像中的相應(yīng)像素之間的改 進(jìn)的映射的需要，且攝像機(jī)必須相對(duì)于光學(xué)儀器的軸系統(tǒng)用已知的內(nèi)部攝 像機(jī)方位校準(zhǔn)。例如，這樣的校準(zhǔn)方法在DE 103 59 415 Al或WO 2005/059473 A2中被描述，其中精確地限定了光學(xué)儀器中的攝像機(jī)的內(nèi)部 和外部方位。
注意，攝#^幾的投影中心和光學(xué)儀器的原點(diǎn)(即，光學(xué)儀器的三個(gè)軸 的交叉點(diǎn))之間的偏移的誤差與到物體的距離有關(guān)，可獲得的物體上位置 的坐標(biāo)越精確，關(guān)于到該位置的距離的信息就越好。進(jìn)一步地，如上所述， 可能還有測(cè)量軸和光軸之間的偏移。然而，該偏移是大致已知的，并可僅 在近范圍處被認(rèn)為是重要的。
雖然關(guān)于前面的實(shí)施例略述的操作和器件特征適合于為很多應(yīng)用提供 可接受的結(jié)果，例如通過借助于固定的轉(zhuǎn)換操作或采用物體到攝^4^的默 i/J 巨離的轉(zhuǎn)換函數(shù)而將測(cè)量像素的圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成空間中的測(cè)量位置，但
是，為了提高測(cè)量的精確度，可考慮并補(bǔ)償上面提到的偏移或誤差，如將 在下文中關(guān)于下面的圖11和另外的附圖中概述的。
為了補(bǔ)償上面的偏移，可使用轉(zhuǎn)換算法，例如算法或轉(zhuǎn)換函數(shù)?？蛇x 地，可定義轉(zhuǎn)換表，以查找相應(yīng)于圖像中像素的特定位置，其中對(duì)從儀器 到待測(cè)量的物體的不同距離，可定義不同的表。
在一個(gè)例子中，通過首先4吏用透鏡布置觀測(cè)物體，接著使用與透鏡布 置的光軸對(duì)齊的攝像機(jī)釆集物體的至少一部分的圖4象，在圖像中限定待掃 描的區(qū)域，獲得區(qū)域內(nèi)物體的多個(gè)測(cè)量像素，采用到多個(gè)位置的默iU巨離將多個(gè)測(cè)量〗象素轉(zhuǎn)換成對(duì)待測(cè)量的多個(gè)位置的坐標(biāo)的近似，將透鏡布置的 光軸順序地調(diào)節(jié)到待測(cè)量的多個(gè)位置上，測(cè)量到多個(gè)位置的距離，并根據(jù) 所測(cè)量的距離再次計(jì)算多個(gè)位置的坐標(biāo)，可獲得物體的距離和圖傳4言息。
因此，通過在本例中重復(fù)地確定物體上的測(cè)量位置兩次，可提高像素 轉(zhuǎn)換成測(cè)量方向的精確度。
圖11所示的方法可由如前面的實(shí)施例之一中描述的光學(xué)儀器執(zhí)行。 在一個(gè)例子中，根據(jù)圖1，用于獲得物體的距離和圖像信息的光學(xué)儀
器包括透鏡布置110，其用于觀測(cè)物體；與透鏡布置的光軸對(duì)齊的4聶4象 機(jī)120,其用于采集物體的至少一部分的圖像；距離測(cè)量單元130,其用于 沿著平行于透鏡布置的光軸的距離測(cè)量單元的測(cè)量軸測(cè)量到物體的距離； 定位單元140，其用于相對(duì)于至少一個(gè)參考軸調(diào)節(jié)透鏡布置的光軸；以及 控制單元150，其具有第一控制元件152和第二控制元件154，第一控制元 件152適合于限定圖像中待掃描的區(qū)域，以獲得區(qū)域中物體的多個(gè)測(cè)量像 素，并采用多個(gè)位置和光學(xué)儀器之間的默i^巨離將多個(gè)測(cè)量像素轉(zhuǎn)換成待 測(cè)量的多個(gè)位置的坐標(biāo)的近似，第二控制元件154適合于指示定位單元將 透鏡布置的光軸順序地調(diào)節(jié)到多個(gè)待測(cè)量的位置上，并指示距離測(cè)量單元 測(cè)量到多個(gè)位置的距離，其中第一控制元件進(jìn)一步適合于根據(jù)所測(cè)量的距 離再次計(jì)算多個(gè)位置的坐標(biāo)。
在下文中，將詳細(xì)概述圖ll的操作，并隨后關(guān)于圖12給出操作的例子。
在操作1110中，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)光學(xué)儀器的光軸來使用透鏡布置例如 圖1的透鏡布置IIO觀測(cè)物體。在操作1115中，采集圖像，其顯示物體的 至少一部分。在一個(gè)例子中，通過操作員輸入相應(yīng)的指令來采集目前顯示 在例如儀器的顯示器上的圖像來采集圖像。
在操作1120中，限定圖像中待掃描的區(qū)域。如前面關(guān)于圖2描述的， 待掃描的區(qū)域可由觀察圖像的操作員限定，或可通過探測(cè)算法限定，這也 在前面關(guān)于圖2描述過。
在操作1125中，獲得區(qū)域內(nèi)物體的多個(gè)測(cè)量像素。例如，觀察圖像的
27操作員例如使用鼠標(biāo)或筆(當(dāng)觸摸屏4皮使用時(shí))來點(diǎn)擊或以其他方式選擇 圖像中的像素，以將該像素限定為測(cè)量像素。
操作1110到1125可與前面關(guān)于圖2描述的^Mt 210到240相同，因 此這些操作210到240的描述也適用于操作1110到1125。
在操作1130中，采用到多個(gè)位置的默iU巨離將多個(gè)測(cè)量像素轉(zhuǎn)換成待 測(cè)量的多個(gè)位置的坐標(biāo)的近似。也就是說，可使用轉(zhuǎn)換算法或轉(zhuǎn)換表例如 上面描述的查找表來對(duì)每個(gè)測(cè)量像素獲得待測(cè)量的相應(yīng)位置的坐標(biāo)，同時(shí) 采用到位置的默iU巨離，因?yàn)樵诜抢硐霔l件下的轉(zhuǎn)換是與距離有關(guān)的。
應(yīng)提到，位置的近似坐標(biāo)和準(zhǔn)確的坐標(biāo)之間的偏離隨著距離的增加而 減小，因?yàn)橥队爸行暮凸鈱W(xué)儀器的原點(diǎn)之間的上述偏移的影響減小了。例 如，可使用50米的默i/JE巨離的起始值來執(zhí)行轉(zhuǎn)換。然而，操作員根據(jù)所需 應(yīng)用在程序開始時(shí)輸入不同的值也是可能的。
在操作1135中，透鏡布置的光軸,皮順序地調(diào)節(jié)到待測(cè)量的位置上。這 可根據(jù)前面的實(shí)施例通過以下操作來完成借助于定位單元140使光學(xué)儀 器100的采集單元160垂直轉(zhuǎn)動(dòng)和水平轉(zhuǎn)動(dòng)，使得透鏡布置110的光軸指 向待測(cè)量的位置。
進(jìn)一步地，如上所述，因?yàn)橥哥R布置和才聶像才幾的光軸通常不與距離測(cè) 量單元的測(cè)量軸重合，可執(zhí)行進(jìn)一步的調(diào)節(jié)，這也可能已經(jīng)被合并在轉(zhuǎn)換 中，因?yàn)楣廨S和測(cè)量軸之間的偏移是已知的，且該距離被采用。
在操作1140中，測(cè)量到多個(gè)位置的距離。測(cè)量可由前面描述的或本領(lǐng) 域已知的激光測(cè)距執(zhí)行。
詳細(xì)地，在操作1135中，首先將光軸調(diào)節(jié)到待測(cè)量的第一位置，由此 在操作1140中進(jìn)行對(duì)第一位置的測(cè)量，接著該程序重復(fù)，如操作1142所 指示的，即，將光軸調(diào)節(jié)到待測(cè)量的第二位置，由此進(jìn)行對(duì)到第二位置的 距離的第二測(cè)量，依此類推。
最后，在^作1145中，根據(jù)所測(cè)量的距離再次計(jì)算多個(gè)位置的坐標(biāo)， 即，因?yàn)樵诓僮?140之后，比在以前的假設(shè)中更好地知道到多個(gè)位置的距 離，這些被測(cè)量的距離可在轉(zhuǎn)換操作中使用，以獲得多個(gè)位置的高度精確的坐標(biāo)。
必須注意，實(shí)施例不限于上面描述的順序，且操作的其它順序可能更 適合于某些其它情況。例如，當(dāng)待掃描的區(qū)域由指示形成區(qū)域的角的多個(gè)
測(cè)量像素的操作員限定時(shí)，在操作1120之前執(zhí)行操作1125可能是優(yōu)選的。 例如，4個(gè)測(cè)量像素由操作員或通過探測(cè)算法選擇，且通過連接這4 個(gè)測(cè)量像素獲得的四邊形用于限定待掃描的區(qū)域。
關(guān)于圖11描述的方法可稱為提高物體的實(shí)際掃描的精確度的預(yù)掃描 程序，如可在圖12A到12C中更詳細(xì)地描述的。
圖12A示出指代光學(xué)儀器的測(cè)量軸的十字準(zhǔn)線1200和多邊形1210。 多邊形1210表示圖像中待掃描的區(qū)域，并可通過圖像處理算法或由操作員 來限定，該操作員在觸摸屏上使用筆1220或計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)或跟蹤球來指示多 邊形點(diǎn)位置1211到1215。由于相對(duì)于光學(xué)儀器的測(cè)量軸的偏心的纟聶#^幾 設(shè)置，大致知道相應(yīng)于在圖像中限定的測(cè)量像素的物體的真實(shí)多邊形點(diǎn)位 置。
圖12B示出使用默iU巨離例如光學(xué)儀器的平均測(cè)量范圍將所限定的測(cè) 量像素轉(zhuǎn)換成儀器方向。該轉(zhuǎn)換優(yōu)選地通過將到物體的距離(例如上面所 參考的距離)納入考慮的轉(zhuǎn)換算法得到。在將定位單元調(diào)節(jié)到通過轉(zhuǎn)換得 到的坐標(biāo)之后，光學(xué)儀器的測(cè)量軸指向多邊形點(diǎn)位置1212，且進(jìn)行距離測(cè)量。
如可在圖12B中看到的，由于在光學(xué)儀器中元件的對(duì)齊中的小缺陷， 指示被轉(zhuǎn)換或計(jì)算的多邊形點(diǎn)位置1212的十字準(zhǔn)線1200不完全與真實(shí)的 多邊形點(diǎn)位置1212重合，然而如果到物體的距離是已知的，則這可通過上 面提到的校準(zhǔn)方法消除。因此，進(jìn)行距離測(cè)量。
因?yàn)槭譁?zhǔn)線1200和多邊形點(diǎn)位置1212幾乎相同，在十字準(zhǔn)線1200 的位置處測(cè)量的距離可與在多邊形點(diǎn)位置1212處測(cè)量的距離基;M目同，所 以獲得了距離的良好近似，并可再次計(jì)算多邊形點(diǎn)位置的坐標(biāo)。
在圖12C中，在再次計(jì)算了位置的坐標(biāo)之后，十字準(zhǔn)線1200與多邊 形點(diǎn)位置1212重疊?？蓪?duì)所有多邊形點(diǎn)位置1211、 1213、 1214和1215
29執(zhí)行再次計(jì)算，以便可通過將光學(xué)儀器的測(cè)量軸指在每個(gè)分立的位置上來 獲得每個(gè)位置的確切距離。
最后，在精確地構(gòu)成多邊形之后，可通過相應(yīng)地使采集單元和測(cè)量軸 垂直轉(zhuǎn)動(dòng)和水平轉(zhuǎn)動(dòng)來以預(yù)定的步長(zhǎng)掃描由多邊形限定的區(qū)域。此外，如 果在多邊形所限定的區(qū)域中有特殊的物體特征，則該物體特征可如上所述 ,皮限定和分析。
在某些極端情況下，設(shè)定最小或最大距離值例如1米或500米可能是 有用的，以防測(cè)量軸分別非常接近地指向障礙物或指向天空。
圖13示出根據(jù)另一實(shí)施例的方法的操作，特別是，這些操作表示通過 連接測(cè)量像素以形成多邊形來限定待掃描的區(qū)域，這也可稱為取景。
圖13所述的方法基于圖ll所述的操作。然而，如從下面的描述中變 得明顯的，必須修改前面在圖11中描述的操作1120。
圖13的方法以操作1110開始，其中使用透鏡布置觀測(cè)物體。隨后， 在操作1115中，采集物體的至少一部份的圖像。接著，在操作1125中， 獲得區(qū)域內(nèi)物體的多個(gè)測(cè)量像素。進(jìn)一步地，在操作1130中，采用到多個(gè) 位置的默iU巨離將多個(gè)測(cè)量《象素轉(zhuǎn)換成待測(cè)量的多個(gè)位置的坐標(biāo)的近似。 這些操作類似于上面的操作，且對(duì)于更多的細(xì)節(jié)，參考上面的相應(yīng)部分。
接著，如在操作1135、 1140和1142中描述的，對(duì)第一位置調(diào)節(jié)透鏡 布置的光軸，并測(cè)量到第一位置的距離，接著將光軸調(diào)節(jié)到第二位置上， 且測(cè)量第二位置，直到測(cè)量了多個(gè)位置的所有距離。接著，在操作1145 中，根據(jù)所測(cè)量的距離再次計(jì)算位置的坐標(biāo)。
隨后，在操作1320中，通過連接測(cè)量像素使得像素構(gòu)成多邊形的角來 限定圖像中待掃描的區(qū)域。該操作是前面的操作1120的修改，并且也可在 任何操作1125和1360之間執(zhí)行?？紤]到操作員所獲得的在區(qū)域內(nèi)的多個(gè) 測(cè)量像素，控制單元150的第一控制元件152可自動(dòng)連接1象素，以形成如 圖12A所示的多邊形。
在操作1360中，在多邊形所限定的區(qū)域中限定待測(cè)量的多個(gè)多邊形位 置。換句話說，在待掃描的區(qū)域由連接到多邊形的測(cè)量像素限定之后，可
30根據(jù)所需的分辨率測(cè)量多個(gè)多邊形位置。例如，圖12C示出在多邊形所限 定的區(qū)域中進(jìn)行的測(cè)量的不變的柵格。
接著，將透鏡布置的光軸順序地調(diào)節(jié)到待測(cè)量的多邊形位置上，且對(duì) 于每次調(diào)節(jié)和位置，在操作1380中測(cè)量到多邊形位置的距離。操作1370 和1380重復(fù)，直到測(cè)量了所有的多邊形位置。
也可關(guān)于圖10理解上述方法。假定子圖像1010到1060中的小圓表示 測(cè)量4象素，可通過連接這些測(cè)量4象素以構(gòu)成如虛線所示的多邊形來限定圖 IO中待掃描的區(qū)域。隨后，可在區(qū)域中，即，在表面1080或IO卯上限定 待測(cè)量的多個(gè)多邊形位置，或可執(zhí)4亍具有預(yù)定步長(zhǎng)大小的簡(jiǎn)單的線掃描。
可選地，待掃描的區(qū)域例如圖10的表面1080和IO卯或圖12C的多 邊形1210，可通過獲得在該區(qū)域中的物體特征例如圖3所示的裂縫^皮進(jìn)一 步分析。例如，當(dāng)圖10的表面1080和1090的交叉處應(yīng)該被更詳細(xì)地分析 時(shí)，則可按圖4所示在交叉處執(zhí)行有增加密度的測(cè)量像素的掃描。
圖14示出用于根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例高度精確地獲得物體的距離 和圖像信息的方法。在關(guān)于圖14討論的方法中，合并前面附圖例如圖2、 9、 10、 11和12A到12C的幾個(gè)方面。圖1描述的光學(xué)儀器100可用于執(zhí) 行圖15和16示出的方法或儀器。
在操作1410中，使用透鏡布置觀測(cè)物體。在操作1415中，采集物體 的至少一部分的圖像，其中該圖像可至少包括第一和第二子圖像，如前面 關(guān)于圖9的操作920描述的。
在操作1420中，在圖像中限定待掃描的區(qū)域，且在操作1425中，在 區(qū)域內(nèi)獲得物體的多個(gè)測(cè)量像素。操作1420和1425在上面被描述了幾次， 且對(duì)于更多的細(xì)節(jié)，參考這些部分?？蛇x地，也可顛倒這些操作的順序。
在操作1430中，采用到位置的默i/JE巨離將在操作1425中獲得的多個(gè) 測(cè)量像素轉(zhuǎn)換成待測(cè)量的多個(gè)位置的坐標(biāo)的近似。該操作類似于操作 1130，然而在這種情況下，是上述至少兩個(gè)子圖像包括多個(gè)測(cè)量像素，即， 一個(gè)子圖像可包括所有的測(cè)量像素或測(cè)量像素可分布在子圖像之間。
在操作1435中，將透鏡布置的光軸調(diào)節(jié)到待測(cè)量的多個(gè)位置上，并在
31操作1440中測(cè)量到多個(gè)位置的距離。如上所述，將光軸調(diào)節(jié)到一個(gè)位置上 并測(cè)量到該位置的距離，接著將光軸調(diào)節(jié)到下一位置，并測(cè)量到下一位置 的距離，直到測(cè)量了到所有位置的距離。
在操作1445中，根據(jù)所測(cè)量的距離再次計(jì)算多個(gè)位置的坐標(biāo)。該操作 類似于關(guān)于圖11詳細(xì)描述的操作1145。
在這里，可以增加再次計(jì)算多個(gè)位置的坐標(biāo)也可作為迭代過程被執(zhí) 行，即，在操作1445中的再次計(jì)算操作之后，可將光軸再次調(diào)節(jié)到具有最 近獲得的坐標(biāo)的位置上，且可重新獲得距離，直到到位置的距離不再改變。 然而，已經(jīng)觀察到， 一次距離測(cè)量通常足以高度精確地獲得位置的坐標(biāo)。
在操作1450中，通過沿著連接至少兩個(gè)測(cè)量像素的線限定其它位置， 或通過使用外插算法來對(duì)由探測(cè)算法所探測(cè)的第 一子圖像和第二子圖像中 的至少一個(gè)子圖像中物體的邊緣或其它物體特征進(jìn)行外插，來處理第 一子 圖#>和第二子圖# 中的至少一個(gè)，由此來限定在第一和第二子圖<象之間的 待測(cè)量的其它位置。該操作類似于圖9的操作955，且為了避免不必要的 重復(fù)，對(duì)于更多的細(xì)節(jié)參考操作955。
在操作1455和1460中，將透鏡布置的光軸調(diào)節(jié)到所述其它位置上， 并測(cè)量到所述其它位置的距離。詳細(xì)地，如上所述，將光軸調(diào)節(jié)到第一位 置上并測(cè)量到第一位置的距離，隨后將光軸調(diào)節(jié)到第二位置上，并測(cè)量到 第二位置的距離，直到測(cè)量了所有的所述其它的位置。上面給出了調(diào)節(jié)和 測(cè)量的詳細(xì)描述。
在上述實(shí)施例中，由攝#^采集至少兩個(gè)子圖像，這是因?yàn)?，例如?攝像機(jī)的視場(chǎng)沒有大到足以一次就能采集整個(gè)物體的圖像。
這樣的情況例如在圖10中示出，其中采集6個(gè)子圖像以限定長(zhǎng)立方體。 通過在采集子圖像時(shí)記錄水平和垂直角而知道每個(gè)子圖像中至少一個(gè)位置 (例如相應(yīng)于圖10中小圓的位置)的坐標(biāo)后，可推出整個(gè)物體的尺寸，特 別是，可能計(jì)算組成整個(gè)物體的合成圖像所需的子圖像的數(shù)量。
因?yàn)楹铣蓤D像的輪廓線通過被拍攝子圖像1010到1060的位置，即， 坐標(biāo)而獲知，接著也可以計(jì)算組成合成圖像所需的其余子圖像的位置，且可將光軸調(diào)節(jié)到這樣的位置，并可采集遺漏的子圖像。
圖15和16示出根據(jù)其它實(shí)施例的、類似于圖1的光學(xué)儀器100的光 學(xué)儀器1500和1600，且儀器1500和1600也可用于執(zhí)行上面描述的步驟。
圖15中的光學(xué)儀器包括控制單元、采集單元、存儲(chǔ)單元1570和顯示 單元1560。具有透鏡布置110、攝#4^120、距離測(cè)量單元130和定位單 元140的采集單元160與圖1中討論的采集單元相同，且對(duì)于更多的細(xì)節(jié) 參考圖1。
采集單元160同樣連接到包括第一控制元件152和第二控制元件154 的控制單元150。而且，第一控制元件152設(shè)置有用于將多個(gè)測(cè)量像素轉(zhuǎn) 換成待測(cè)量的多個(gè)位置的坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換單元1553。
轉(zhuǎn)換單元1553可作為硬件例如硬連線電路或ASIC或作為軟件或兩者 的適當(dāng)組合被包括在第一控制單元152中。
應(yīng)理解，控制單元150本身可由微處理器、計(jì)算機(jī)或集成電路實(shí)現(xiàn)， 且不限于上面各項(xiàng)。例如，控制單元150可為運(yùn)行幾個(gè)軟件元件(例如相 應(yīng)于第一控制元件152和第二控制元件154的功能的軟件元件)的微處理 器，其中轉(zhuǎn)換單元1553可作為與第一控制元件152通過接口連接的軟件程 序4皮包括。
詳細(xì)地，轉(zhuǎn)換單元1553可使用轉(zhuǎn)換算法根據(jù)下面信息的部分來執(zhí)行轉(zhuǎn) 換測(cè)量像素在圖像中的位置，儀器的光學(xué)設(shè)置，特別是攝^^L的投影中 心與光學(xué)儀器的原點(diǎn)的偏移，光軸和測(cè)量軸的偏移，以及到物體的距離。
然而，如上所述，也可通過簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換表來查找以前記錄的關(guān)于相應(yīng) 于圖像中測(cè)量像素的定位的位置的坐標(biāo)的信息，來執(zhí)行轉(zhuǎn)換。為了更高的 精確度，提供幾個(gè)用于不同的距離的不同的轉(zhuǎn)換表也是可行的。
這些轉(zhuǎn)換表以及所測(cè)量的數(shù)據(jù)和距離數(shù)據(jù)可儲(chǔ)存在連接到控制單元 150的存儲(chǔ)單元1570中，以保存用于后處理的數(shù)據(jù)。
存儲(chǔ)單元1570可為任何適當(dāng)?shù)幕蚱谕拇鎊i殳備，并可為幾個(gè)下列部 件的一個(gè)或組合RAM、 ROM、硬盤、(E)EPROM、磁盤、閃存等。閃 存可適合于導(dǎo)出用于后處理的數(shù)據(jù)，然而，為了導(dǎo)出數(shù)據(jù)的目的可設(shè)想其它接口，例如簡(jiǎn)單的i/o接口。
在局部坐標(biāo)系或地理坐標(biāo)系中參考被儲(chǔ)存的圖像。進(jìn)一步地，所采集 的圖像的位置是高度精確地已知的，且每個(gè)像素被精確地參考。所儲(chǔ)存的 圖像在數(shù)據(jù)后處理中可與所測(cè)量的三維信息合并，以獲得額外的測(cè)量信息。
三維點(diǎn)云(pointcloud)僅僅是沒有語義信息的物體幾何結(jié)構(gòu)的三維信息， 其可與所存儲(chǔ)的圖像結(jié)合，以增加圖像處理的可靠性。
光學(xué)儀器1500進(jìn)一步包括用于顯示所需的圖像或子圖像的顯示單元 1560，其可為任何適當(dāng)?shù)娘@示單元。例如簡(jiǎn)單的陰極射線管(CRT)顯示 器或液晶顯示器(LCD)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，被測(cè)量的位置的三維點(diǎn)數(shù)據(jù)可疊加在圖像或子圖像 上。三維點(diǎn)數(shù)據(jù)可顯示為三維點(diǎn)柵格、X-、 Y-、 Z-坐標(biāo)、具有距離信息的 水平和垂直角、或以其它已知的三維表示法來顯示。
圖16示出根據(jù)另一實(shí)施例的光學(xué)儀器1600，其類似于圖1的光學(xué)儀 器100。
如圖16所示，光學(xué)儀器1600可包括控制單元150、采集單元160、儲(chǔ) 存單元1570、 》1^器1680和可分離的遠(yuǎn)程控制單元1660。控制單元150 和存儲(chǔ)單元1570已在圖1和15中被詳細(xì)描述，且對(duì)于詳細(xì)的描述，參考 圖1和15，以避免不必要的重復(fù)。
圖16更詳細(xì)地示出圖1和15的采集單元160。圖16中的透鏡布置110 包括兩個(gè)透鏡1642和1644，其優(yōu)選地可拆除地放置在外殼1640中，以形 成類似于望遠(yuǎn)鏡的器件。透鏡布置的光軸1646#皮示為垂直于攝#^1，并最 佳地與攝像機(jī)120的光軸重合。
如上所述，攝#^ 120可為CCD或CMOS類型的攝^^li或任何其它 適當(dāng)?shù)某上衿骷＞嚯x測(cè)量單元130的測(cè)量軸1658被示為平行于光軸 1646，但優(yōu)選地與光軸1646重合。
關(guān)于圖1在前面詳細(xì)描述了距離測(cè)量單元130。定位單元140再次4皮 示為在采集單元160中，但如前所述，定位單元的元件也可顯示在采集單 元160之外。
34進(jìn)一步地，控制單元150連接到第一收發(fā)器1680,其用于發(fā)送和接收 數(shù)據(jù)，例如將采集數(shù)據(jù)如圖像發(fā)送到可分離的遠(yuǎn)程控制單元1660，以顯示 在顯示單元1610上。此外，第一M器1680也可從可分離的遠(yuǎn)程控制單 元1600接收控制數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程控制單元1600控制該控制單元150，特別是 第一和第二控制元件。
可分離的遠(yuǎn)程控制單元1660可通過固定線或通過無線連接，例如無線 電、WLAN如IEEE 802.11或藍(lán)牙或任何其它適當(dāng)?shù)臒o線連接，來物理地 連接到控制單元150。如虛線所指示的，可分離的遠(yuǎn)程控制單元1660不是 一定要形成光學(xué)儀器1600的部分，而是可由操作員四處攜帶以遠(yuǎn)程地控制 光學(xué)儀器。
詳細(xì)地，可分離的遠(yuǎn)程控制單元1660包括顯示單元1610、操作控制 單元1620和收發(fā)器1630。顯示單元1610可為L(zhǎng)CD顯示器，且優(yōu)選地為 觸敏顯示器，例如用作人類接口的觸摸屏。操作控制單元1620可包括焦點(diǎn) 控制、觸發(fā)器輸入、字母數(shù)字輸入設(shè)備如鍵盤、以及引導(dǎo)控制(aiming control)如計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)、操縱桿、跟蹤球、觸摸板或允許操作員手工指揮 光學(xué)儀器的移動(dòng)的任何其它適當(dāng)?shù)脑O(shè)備。收發(fā)器1630可接收將顯示在顯示 單元1610上的采集數(shù)據(jù)或從操作控制單元1620發(fā)送控制數(shù)據(jù)。另外的元 件可包括CPU和電池(未示出)。
根據(jù)另一實(shí)施例，可提供一種程序，其包括適合于使可包括在控制單 元中的數(shù)據(jù)處理器或控制單元150本身執(zhí)行上面的操作的組合的指令。
程序或其元件可儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器例如光學(xué)儀器的存儲(chǔ)單元1570中，并由 處理器檢索用于執(zhí)行。 而且，可提供包含程序的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可為有形 的，例如磁盤或其它數(shù)據(jù)載體，或可由適合于電子、光學(xué)或任何其它類型 的傳輸?shù)男盘?hào)組成。計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。
應(yīng)理解，這里描述的操作內(nèi)在地不與任何特定的儀器有關(guān)，并可由部 件的任何適當(dāng)?shù)慕M合實(shí)現(xiàn)。圖1、 15和16所示且在上面詳細(xì)描述的光學(xué)儀 器構(gòu)成優(yōu)選實(shí)施例，以執(zhí)行所述方法的操作。然而，這可以不限于此。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明顯，可在本發(fā)明的儀器和方法中以及在本發(fā)明 的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行各種修改和變化，而不偏離本發(fā)明的范圍或?qū)嵸|(zhì)。
關(guān)于特定的例子描述了本發(fā)明，這些例子,定為在所有的方面是示 例性的而不是限制性的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，硬件、軟件和固件的 很多不同的組合應(yīng)適合于實(shí)踐本發(fā)明。
而且，考慮到這里所公開的說明書和本發(fā)明的實(shí)踐，本發(fā)明的其它實(shí) 現(xiàn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是明顯的。認(rèn)為說明書和例子僅僅是示例性的。 為此，應(yīng)理解，創(chuàng)造性方面在于少于單個(gè)前面公開的實(shí)現(xiàn)或配置的所有特 征。因此，本發(fā)明的真正范圍和實(shí)質(zhì)由下面的權(quán)利要求指示。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)儀器，其用于獲得物體的距離和圖像信息，所述光學(xué)儀器包括透鏡布置(110)，其用于觀測(cè)所述物體；攝像機(jī)(120)，其與所述透鏡布置的光軸對(duì)齊，用于采集所述物體的至少一部分的圖像；距離測(cè)量單元(130)，其用于沿著平行于所述透鏡布置的光軸的所述距離測(cè)量單元的測(cè)量軸測(cè)量到所述物體的距離；定位單元(140)，其用于相對(duì)于至少一個(gè)參考軸調(diào)節(jié)所述透鏡布置的光軸；以及控制單元(150)，其具有第一控制元件(152)，其適合于限定所述圖像中待掃描的區(qū)域、獲得所述區(qū)域中所述物體的物體特征、以及在所述區(qū)域中限定相應(yīng)于所述物體上多個(gè)位置的多個(gè)測(cè)量像素，其中在所述物體特征處有增加密度的測(cè)量像素，以及第二控制元件(154)，其適合于指示所述定位單元將所述透鏡布置的光軸順序地調(diào)節(jié)到所述物體上的所述多個(gè)位置上，以及指示所述距離測(cè)量單元測(cè)量到所述物體所述多個(gè)位置處的距離。
2. 如權(quán)利要求l所述的光學(xué)儀器，其中所述第一控制元件適合于通過探測(cè)所述區(qū)域中所述物體的所述物體特征的探測(cè)算法處理所述圖像中的所 述區(qū)域來獲得所述物體特征。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)儀器，其中所述第一控制元件適合于 通過操作員選擇所述圖像中的所述區(qū)域來限定所述待掃描的區(qū)域或通過使 用用于探測(cè)所述物體的至少一部分的探測(cè)算法處理所述圖像來限定所述待 掃描的區(qū)域。
4. 如權(quán)利要求l-3中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)儀器，其中所述第一控制元件適合于在所述待掃描的區(qū)域中限定具有高測(cè)量像素密度的區(qū)、具有低測(cè) 量像素密度的區(qū)以及沒有測(cè)量像素的區(qū)中的至少一個(gè)。
5. 如權(quán)利要求4所述的光學(xué)儀器，其中所述第一控制元件適合于通過 操作員選擇所述區(qū)域中的所述區(qū)來限定所述區(qū)，或通過使用用于探測(cè)所述 區(qū)域中的所述區(qū)的探測(cè)算法處理所述區(qū)域來限定所述區(qū)。
6. 如權(quán)利要求l-5中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)儀器，其中所述第二控制元 件適合于按4吏對(duì)所述透鏡布置的光軸的調(diào)節(jié)最小化的順序掃描所述區(qū)域中 的測(cè)量1象素。
7. 如權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)儀器，其中所述笫一控制元件適合于 通過將輪廓的二維表示引入所述區(qū)域中并通過在所述區(qū)域中將所述輪廓的 二維表示的輪廓線處的多個(gè)像素選擇為測(cè)量像素，來在所述區(qū)域中限定所 述多個(gè)測(cè)量^f象素。
8. 如權(quán)利要求l-7中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)儀器，其中所述圖像至少包 括第 一子圖4象和第二子圖像，且這至少兩個(gè)子圖像包括所述多個(gè)測(cè)量像素。
9. 如權(quán)利要求8所述的光學(xué)儀器，其中所述第一控制元件進(jìn)一步適合 于限定在所述第一子圖像和所述第二子圖像的測(cè)量像素之間的待測(cè)量的其 它位置。
10. 如權(quán)利要求9所述的光學(xué)儀器，其中所述第一控制元件適合于通 過沿著連接至少兩個(gè)測(cè)量像素的線限定所述其它位置，或通過使用外插算 法來對(duì)由探測(cè)算法所探測(cè)的所述第 一子圖#>和所述第二子圖像中的至少一 個(gè)子圖像中的所述物體的邊緣或其它物體特征進(jìn)行外插，來處理所述第一 子圖像和所述第二子圖像中的至少一個(gè)，由此來限定待測(cè)量的所述其它位 置。
11. 如權(quán)利要求1-10中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)儀器，其中所述定位單元 進(jìn)一步適合于相對(duì)于參考軸系統(tǒng)測(cè)量對(duì)所述物體上所述多個(gè)位置的水平和 垂直角。
12. 如權(quán)利要求l-ll中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)儀器，進(jìn)一步包括用于顯 示所采集的圖像的顯示單元(1160)。
13. 如權(quán)利要求12所述的光學(xué)儀器，其中所述顯示單元適合于重疊地顯示所采集的圖像和所測(cè)量的位置。
14. 如權(quán)利要求12或13所述的光學(xué)儀器，其中所述顯示單元是觸摸顯示單元，用于下列操作中的至少一個(gè)由操作員限定所述圖像中待掃描的區(qū)域以及由操作員獲得所述物體特征。
15. 如權(quán)利要求1-14中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)儀器，進(jìn)一步包括轉(zhuǎn)換單元(1553)，所述轉(zhuǎn)換單元用于將所述多個(gè)測(cè)量像素轉(zhuǎn)換成待測(cè)量的位置的坐標(biāo)。
16. 如權(quán)利要求15所述的光學(xué)儀器，其中使用轉(zhuǎn)換算法來執(zhí)行所述轉(zhuǎn)換。
17. 如權(quán)利要求15所述的光學(xué)儀器，其中使用將每個(gè)測(cè)量像素與待測(cè)量的位置的坐標(biāo)關(guān)聯(lián)起來的轉(zhuǎn)換表來執(zhí)行所述轉(zhuǎn)換。
18. 如權(quán)利要求1-17中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)儀器，其中所述多個(gè)測(cè)量1象素中的至少兩個(gè)組成核心點(diǎn)4象素，且所述第一控制元件(152 )適合于采用核心位置和所述光學(xué)儀器之間的默iU巨離將所述核心點(diǎn)像素轉(zhuǎn)換成待測(cè)量的核心位置的坐標(biāo)的近似，以及所述第二控制元件(154)適合于指示所述定位單元將所述透鏡布置的光軸調(diào)節(jié)到待測(cè)量的核心位置上，并指示所iiJ巨離測(cè)量單元測(cè)量到所述核心位置的距離，其中所述第一控制元件進(jìn)一步適合于根據(jù)所測(cè)量的距離再次計(jì)算所述核心位置的坐標(biāo)。
19. 如權(quán)利要求1-18中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)儀器，進(jìn)一步包括用于接收控制數(shù)據(jù)的M器(1680)和可分離的遠(yuǎn)程控制單元(1660)中的至少一個(gè)以遠(yuǎn)程地控制所述光學(xué)儀器，所述可分離的遠(yuǎn)程控制單元具有操作控制單元(16加)、顯示單元(1610)和收發(fā)器(1630)。
20. —種用于獲得物體的距離和圖像信息的方法，包括使用透鏡布置觀測(cè)所述物體；使用與所述透鏡布置的光軸對(duì)齊的攝像機(jī)采集所述物體的至少一部分的圖像；限定所述圖像中待掃描的區(qū)域；獲得所述區(qū)域中所述物體的物體特征；在所述區(qū)域中限定相應(yīng)于所述物體上的多個(gè)位置的多個(gè)測(cè)量像素，其中在所述物體特征處有增加密度的測(cè)量像素；相對(duì)于至少一個(gè)參考軸將所iiil:鏡布置的光軸順序地調(diào)節(jié)到所述物體上的所述多個(gè)位置上，以及測(cè)量到所述物體所述多個(gè)位置處的距離。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，其中通過操作員選擇所述區(qū)域中所述物體特征來獲得所述物體特征，或通過使用用于探測(cè)所述區(qū)域中所述物體的所述物體特征的探測(cè)算法處理所述圖像中的所述區(qū)域來獲得所述物體特征。
22. 如權(quán)利要求20或21所述的方法，其中，通過操作員選擇所迷圖像中的所述區(qū)域來限定所述待掃描的區(qū)域，或通過使用用于探測(cè)所述物體的所述至少一部分的探測(cè)算法處理所述圖像來限定所述待掃描的區(qū)域。
23. 如權(quán)利要求20-22中至少一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括在所述待掃描的區(qū)域中限定具有高測(cè)量像素密度的區(qū)、具有低測(cè)量像素密度的區(qū)以及沒有測(cè)量《象素的區(qū)中的至少一個(gè)。
24. 如權(quán)利要求23所述的方法，其中，通過操作員選擇所述區(qū)域中的所述區(qū)來限定所述區(qū)，或通過使用用于探測(cè)所述區(qū)域中的所述區(qū)的探測(cè)算法處理所述區(qū)域來限定所述區(qū)。
25. 如權(quán)利要20-24中至少一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括按使對(duì)所述透鏡布置的光軸的調(diào)節(jié)最小化的順序掃描所述區(qū)域中的測(cè)量像素。
26. 如權(quán)利要求20或21所述的方法，其中通過將輪廓的二維表示引入所述區(qū)域中，并通過在所述區(qū)域中將所述輪廓的二維表示的輪廓線處的多個(gè)^f象素選擇為測(cè)量像素，來在所述區(qū)域中限定所述多個(gè)測(cè)量《象素。
27. 如權(quán)利要求20-26中至少一項(xiàng)所述的方法，其中所迷圖像至少包括第一子圖像和第二子圖像，且這至少兩個(gè)子圖像包括所述多個(gè)測(cè)量像素。
28. 如權(quán)利要求27所述的方法，進(jìn)一步包括限定在所述第一子圖像和所述第二子圖像的測(cè)量像素之間的待測(cè)量的其它位置。
29. 如權(quán)利要求28所述的方法，其中通過沿著連接至少兩個(gè)測(cè)量像素的線限定所述其它位置，或通過使用外插算法來對(duì)由探測(cè)算法所探測(cè)的所述第 一子圖像和所述第二子圖像中的至少 一個(gè)子圖像中的所述物體的邊緣或其它物體特征進(jìn)行外插，來處理所述第 一子圖像和所述第二子圖像中的至少一個(gè)，由此來限定待測(cè)量的所述其它位置。
30. 如權(quán)利要求20-29中至少一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括相對(duì)于參考軸系統(tǒng)測(cè)量所述物體上所述多個(gè)位置的水平和垂直角。
31. 如權(quán)利要求20-30中至少一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括顯示所采集的圖像。
32. 如權(quán)利要求31所述的方法，其中所采集的圖像和所測(cè)量的位置被重疊地顯示。
33. 如權(quán)利要求31或32所述的方法，進(jìn)一步包括由操作員在觸摸顯示單元上限定所述待掃描的區(qū)域和所述物體特征中的至少 一個(gè)。
34. 如權(quán)利要求20-33中至少一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括將所述多個(gè)測(cè)量像素轉(zhuǎn)換成待測(cè)量的位置的坐標(biāo)。
35. 如權(quán)利要求34所述的方法，其中使用轉(zhuǎn)換算法來執(zhí)行所述轉(zhuǎn)換。
36. 如權(quán)利要求34所述的方法，其中使用將每個(gè)測(cè)量像素與待測(cè)量的位置的坐標(biāo)關(guān)g來的轉(zhuǎn)換表來執(zhí)行所述轉(zhuǎn)換。
37. 如權(quán)利要求20-36中至少一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括接收控制數(shù)據(jù)以遠(yuǎn)程地控制控制單元。
38. 如權(quán)利要求20-37中至少一項(xiàng)所述的方法，其中所述多個(gè)測(cè)量像素中的至少兩個(gè)組成核心點(diǎn)像素，所述方法進(jìn)一步包括采用到待測(cè)量的核心位置的默認(rèn)距離將所述核心點(diǎn)像素轉(zhuǎn)換成所述核心位置的坐標(biāo)的近似；將所述透鏡布置的光軸調(diào)節(jié)到待測(cè)量的所述核心位置上；測(cè)量到所述核心位置的距離；以及才艮據(jù)所測(cè)量的距離再次計(jì)算所述核心位置的坐標(biāo)。
39. —種程序，其包括適合于使數(shù)據(jù)處理裝置執(zhí)行權(quán)利要求20-38中至少一項(xiàng)的方法的指令。
40. —種包含程序的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中所述程序使得計(jì)算機(jī)執(zhí)行4又利要求20-38中至少一項(xiàng)的方法。
41. 一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其包括根據(jù)權(quán)利要求40的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。
全文摘要
公開了一種用于獲得物體的距離和圖像信息的光學(xué)儀器和方法，以提高數(shù)據(jù)采集的速度和精確度。所述儀器包括攝像機(jī)、定位單元、距離測(cè)量單元、透鏡布置和控制單元。攝像機(jī)采集物體的圖像，而控制單元限定待掃描的區(qū)域以及物體的物體特征，其中相應(yīng)于物體上的位置的測(cè)量像素可被限定在區(qū)域中，在物體特征處有增加密度的測(cè)量像素。其后，測(cè)量到物體的所關(guān)注的選定位置處的距離。
文檔編號(hào)G01C15/00GK101636632SQ200780052343
公開日2010年1月27日 申請(qǐng)日期2007年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月26日
發(fā)明者C·格雷塞爾, M·弗格爾, S·斯萬霍爾姆, T·克盧達(dá)斯 申請(qǐng)人:特里伯耶拿有限公司