專利名稱：用于在物體表面上進行非接觸坐標測量的方法和勘測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1和13前序部分的用于在物體坐標系統(tǒng)中 在待測物體的物體表面上進行非接觸坐標測量的方法和勘測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
為了近距離地在物體表面上進行非接觸式攝影測繪坐標測量，通過 將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到物體坐標系統(tǒng)內(nèi)而從各角度再現(xiàn)物體的圖像獲得物體 的尺寸。為了該目的，在數(shù)據(jù)處理單元中處理圖像數(shù)據(jù)。坐標計算的基 礎(chǔ)是確定所涉及圖像的照相機取向。
如從現(xiàn)有技術(shù)所知的那樣，可通過單個照相機在不同時間從不同角 度記錄物體表面的那些待勘測區(qū)域部分，然后分別通過圖像處理系統(tǒng)處 理二維圖像數(shù)據(jù)，以給出所謂的三維圖像。分別使深度信息與三維圖像 的像素相關(guān)聯(lián)，從而由照相機及其角度確定的圖像坐標系統(tǒng)中的3D圖像 坐標與待考查的每一個像素、特別是所有像素相關(guān)聯(lián)。現(xiàn)有技術(shù)中公開
了用于從由不同角度顯示相同景像的多個2維圖像產(chǎn)生這樣的3維圖像 的不同圖像處理方法。
如從現(xiàn)有技術(shù)同樣已知的，還可在多個照相機的輔助下實現(xiàn)基本上 同時的記錄，以取代通過一個照相機在不同時刻從不同角度記錄區(qū)域部 分。這具有這樣的優(yōu)點由于照相機可具有彼此固定的相對取向和距離， 因此無需移動照相機就可進行區(qū)域部分三維確定，并且無需確定各照相 機取向。
現(xiàn)有技術(shù)公開了不同的3D圖像記錄裝置，所述記錄裝置基本上包括 兩個或三個照相機，所述照相機以具有立體基礎(chǔ)(stereoscopic basis)的 方式間隔開一定距離地放置在共用殼體中，用于分別從不同但相對固定 的角度記錄景像。由于記錄的區(qū)域部分不可避免地具有允許圖像電子處
理的典型圖像特征，因此可對區(qū)域部分施加標記。這些標記可通過從3D 圖像記錄單元投射到區(qū)域部分的結(jié)構(gòu)光束，具體為激光光束產(chǎn)生，所述 3D圖像記錄單元例如投射光學(xué)屏幕(screen)或光學(xué)標記十字。通常， 這樣的3D圖像記錄單元還包括圖像處理裝置，其從基本上同時記錄的多 個來自不同角度的圖像獲得三維圖像。
這樣的3D圖像記錄單元為例如"CogniTens"的圖像記錄系統(tǒng)(其商 品名稱為"Optigo"和"OptiCell"，并且包括三個以等邊三角形布置的照相 機)和"ActiCM"的"Advent"系統(tǒng)(其具有兩個并排布置的高分辨率CCD 照相機和用于將結(jié)構(gòu)光投射到待記錄部分上的投影儀)。
記錄的待測圖像元素坐標的確定通常通過圖像中的參照標記確定， 從所述參照標記進行實際的3D坐標測量。這里，與記錄的三維圖像相關(guān) 并且因此基于3D圖像記錄單元的圖像坐標系被變換到待測物體存在于 其中并且基于例如物體的CAD模型的物體坐標系中。變換根據(jù)記錄的標 記進行，所述標記在物體坐標系中的位置已知。這里，通過從現(xiàn)有技術(shù) 已知的3D圖像記錄單元實現(xiàn)了小于0.5毫米的精度。
還已知一種3D掃描系統(tǒng)，特別是呈3D激光掃描儀形式的3D掃描 系統(tǒng)，其在一區(qū)段內(nèi)進行深度掃描，并且產(chǎn)生點云(point cloud)。這里， 應(yīng)對其中激光束逐行掃描區(qū)域的串行系統(tǒng)、其中掃描線在區(qū)域上方成扇 形散開的并行系統(tǒng)和所謂的同時掃描扇形中多個點并且因而進行扇形深 度記錄的RIM或距離成像系統(tǒng)的完全并行系統(tǒng)之間進行區(qū)分。通常所有 這些系統(tǒng)的相同點是，深度掃描是通過至少一個特別是在區(qū)域上方移動 的測距激光束實現(xiàn)的。具體地，這樣的串行系統(tǒng)被廣泛使用并且可以以 商品名稱"Leica HDS 6000"、 "Leica ScanStation 2"、 "Trimble GX 3D Scanner" 、 "Zoller + Frahlich IMAGER 5003"和"Zoller + Fr6hlicn IMAGER 5006"購買得到。
每一個3D圖像記錄單元的一個問題是，其中可以以所需分辨率進行 圖像記錄的記錄區(qū)域受設(shè)計限制。在對較大物體進行三維確定的情況下， 因此不可避免地要對來自3D圖像記錄單元的不同位置和取向的一些個 三維記錄進行標記。該多個較小的圖像記錄隨后在記錄區(qū)段內(nèi)的標記的
幫助下通過重疊圖像區(qū)域的匹配而組合起來，以給出較大的整體三維圖 像?，F(xiàn)有技術(shù)中公開了用于實現(xiàn)該目的的不同方法。這些方法的共同問
題是，待組合起來以形成較大圖像的各個三維圖像必需具有重疊區(qū)。3D 圖像記錄單元從具有至少一個參照點的第一區(qū)域部分到距離所述第一區(qū) 域部分一定距離并且不包括參照點的第二區(qū)域部分的離散位置變化通過 圖像處理系統(tǒng)不可能實現(xiàn)，除非記錄了聯(lián)系所述兩個區(qū)域部分的其它圖 像。因此需要進行多個中間圖像記錄，以在光學(xué)上聯(lián)系以一定距離間隔 開的兩個待測區(qū)域部分，并允許相銜接的圖像處理。通過記錄無直接測 量內(nèi)容的多個三維圖像，整個測量方法減慢，并且耗費了內(nèi)存和計算資 源。而且，尤其是在參照點相距較遠的情況下，圖像記錄內(nèi)的不可避免 地具有小測量誤差的坐標測量在組合多個圖像時對測量精度有很大的影 響。
而且，從現(xiàn)有技術(shù)還已知，其中3D圖像記錄單元由工業(yè)機器人頭部 或門式(portal)坐標測量儀支撐并可調(diào)節(jié)的測量系統(tǒng)和方法。由于高質(zhì) 量和高分辨率3D圖像記錄單元的重量較大，其在一些情況下大于10千 克，因此不可能以與圖像記錄精度匹配的所需精度精確地確定3D圖像記 錄單元的位置，因為這將需要這樣一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的處理系統(tǒng)，即，3D圖 像記錄單元的使用領(lǐng)域應(yīng)被限制為靜止系統(tǒng)。例如，汽車車體內(nèi)部中的 使用將因此會很復(fù)雜或根本不可能。由于它們較低的測量精度(所述精 度明顯低于精確的3D圖像記錄單元的精度)，因此工業(yè)機器人不適于外 部定位(referencing)。而且，門式坐標測量儀并非設(shè)計成用來支撐重的 載荷，并且在高的機械載荷下，不能給出可用于定位的測量結(jié)果。由于 該原因，由處理系統(tǒng)傳送并且可提供關(guān)于3D圖像記錄單元的絕對和/或 相對位置信息的任何測量得到的位置值不能用于定位圖像記錄，特別是 不同的、非銜接(non-cohesive)的區(qū)域部分的多個三維圖像記錄進行定 位。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是提供一種方法和設(shè)備，其允許在物體坐標系中
在待測物體的物體表面上進行非接觸、精確和快速的坐標測量，而無需 不可避免地使用待確定的多個參照標記。
該目的通過實施獨立權(quán)利要求的特征來實現(xiàn)。在從屬專利權(quán)利要求 中描述了以可替代或有利方式對本發(fā)明進一步改進的特征。
根據(jù)本發(fā)明的方法通過使用本身已知的用于對物體表面的一區(qū)域部
分的三維圖像進行電子記錄的3D圖像記錄單元進行。該3D圖像記錄單 元為單個裝置，包括以下用于記錄三維圖像的具體元件——特別是照相 機、透鏡、電子組件和/或測距計。具體地，所有這些元件容納在3D圖 像記錄單元的單個殼體中。三維圖像包括多個像素，所述第一像素分別 與一項深度信息相關(guān)聯(lián)。特別是從所使用的光學(xué)記錄元件(例如CCD圖 像傳感器)的垂直和水平分辨率產(chǎn)生所述像素。從現(xiàn)有技術(shù)可知這樣的 3D圖像記錄單元，其例如呈以"Optigo"和"OptiCell"的品牌名稱出售并且 包括在單個殼體中以等邊三角形布置的三個照相機的"CogniTens"圖像記 錄系統(tǒng)的形式，以及呈具有兩個并排布置的高分辨率CCD照相機和用于 將結(jié)構(gòu)光投射到待記錄部分上的"ActiCM，，的"Advent"系統(tǒng)的形式。因此， 這里將不進行更確切的描述。
優(yōu)選地，這些照相機彼此固定結(jié)合在3D圖像記錄單元的單個殼體 內(nèi)，所述照相機具有彼此間固定的相對光學(xué)取向(即，固定的相對視場) 和距離。
所述3D圖像記錄單元處在第一位置和第一取向下，從該第一位置和 第一取向電子記錄待測物體表面的第一區(qū)域部分的第一三維圖像。該三 維圖像具體而言由所述3D圖像記錄單元從通過多個照相機記錄并且從 不同角度映射該第一區(qū)域部分的多個單獨圖像電子地產(chǎn)生。所述第一三 維圖像包括多個像素，所述像素分別與一項深度信息相關(guān)聯(lián)。
還可以采用3D掃描系統(tǒng)、例如適當(dāng)?shù)?D激光掃描儀，而不使用多 個具有立體基礎(chǔ)的照相機，作為用于記錄第一三維圖像的3D圖像記錄單 元。該3D激光掃描儀如上所述使用相應(yīng)的系統(tǒng)串行或并行或完全并^^也 通過移動的激光束從第一位置和第一取向掃描該區(qū)域部分。除了激光掃 描單元之外，該3D激光掃描儀也可具有圖像照相機，例如CCD照相機，
用于二維圖像記錄。通過照相機記錄的像素深度信息由激光距離測量獲
得。該3D激光掃描儀為單個裝置，優(yōu)選在單個殼體內(nèi)包括所有的用于記 錄所述第一三維圖像的部件，具體為激光測距計、致動器、角度檢測器 和光學(xué)照相機。
該第一三維圖像從單獨一個第一位置和第一取向記錄并且產(chǎn)生，而 無需改變位置或取向。與3D圖像記錄單元和相對于其所記錄的區(qū)域部分 相關(guān)的圖像坐標系中的3D圖像坐標與呈現(xiàn)在該三維圖像中的像素相關(guān) 聯(lián)，并且將關(guān)于對第一區(qū)域部分的勘測進行研究。例如，坐標包括三維 圖像內(nèi)的像素的水平和垂直位置和所記錄的像素距所述3D圖像記錄單 元的記錄平面的距離。例如通過3D圖像記錄單元或數(shù)據(jù)供給到其中的外 部數(shù)據(jù)處理單元實現(xiàn)這一指配(assignments
在通過測量設(shè)備記錄所述第一三維圖像時確定所述3D圖像記錄單 元在物體坐標系中的第一位置和第一取向，所述區(qū)域部分要在該物體坐 標系中勘測，且在所述物體坐標系中固定著待測物體。該測量設(shè)備結(jié)合 到物體坐標系統(tǒng)。這意味著，在測量過程中，待測物體和所述測量設(shè)備 的基部(相對于該基部進行對所述位置和取向的測量)彼此結(jié)合，而所 述3D圖像記錄單元由于其移動性而沒有關(guān)于基部和待測物體結(jié)合。為了 簡化說明，即使物體將在例如由CAD模型限定的另一個坐標系中勘測， 也將與測量設(shè)備的基部和物體相關(guān)的公共坐標系稱為物體坐標系。但是， 測量設(shè)備和物體的可能不同的坐標系具有固定的共同參照，并且因此彼 此結(jié)合或者可彼此結(jié)合。
在下一個步驟中，通過已知的第一 3D圖像坐標和3D圖像記錄單元 的第一位置和第一取向，而將物體坐標系中的第一 3D物體坐標指配給所 述像素。所述指配通過從現(xiàn)有技術(shù)已知的坐標變換而實現(xiàn)。因而，將3D 圖像坐標定位(reference)在外部坐標系、即物體坐標系中。
本發(fā)明的優(yōu)點特別在于，由于將3D圖像坐標與呈外部測量系統(tǒng)(該 外部測量系統(tǒng)測量所述3D圖像記錄單元位置和取向)形式的物體坐標相 聯(lián)系，從而無需在圖像記錄中使用多個參照點。如果將所述3D圖像記錄 單元轉(zhuǎn)到第二位置和第二取向來記錄和勘測第二區(qū)域部分，則在由所述
測量系統(tǒng)測量的第二位置和取向處進行對第二三維圖像的定位。無需通 過圖像處理對先前記錄的圖像和其中存在的標記進行定位。
接著可對物體表面上的兩個或更多非銜接區(qū)域部分進行記錄，而無 需進行將第二區(qū)域部分聯(lián)系到第一區(qū)域部分的中間記錄。結(jié)果，可更快
且更精確地實施測量方法。通過數(shù)據(jù)處理單元，可將多個重疊的3D圖像 記錄彼此聯(lián)系起來，并且將其組合從而形成組合圖像。由于對每一個三 維圖像記錄進行外部定位，從而可以以沒有結(jié)合誤差的高度精確方式實 現(xiàn)這一點。
在本發(fā)明的另一改型中，測量設(shè)備基本上與在3D圖像記錄單元保持 過程中作用的保持力分離。這意味著測量設(shè)備沒有暴露于任何明顯的用 于保持3D圖像記錄單元的保持力，并且因此沒有通過3D圖像記錄單元 的重力而在測量設(shè)備上產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和彎曲力。因此，3D圖像記錄單元的位 置和取向的確定過程中的測量精度顯著提高，并且該精度可對應(yīng)于3D圖 像記錄單元的測量的高光學(xué)精度。而且，可設(shè)計緊湊和可移動的測量設(shè) 備。特別地，對在可達性較差的空間內(nèi)、例如在待測測量的車體內(nèi)使用 該3D圖像記錄單元而言，這一點是有利的。
3D圖像記錄單元在圖像記錄過程中例如由充分吸收保持力的保持 裝置(retaining device)保持。該保持裝置可例如由與所述測量設(shè)備分離 的鉸接式保持臂形成。可選地，3D圖像記錄單元用手通過手柄保持。
根據(jù)本發(fā)明，測量設(shè)備可呈可調(diào)節(jié)的機械鉸接式3D坐標測量臂的形 式。從現(xiàn)有技術(shù)可知這樣的鉸接式3D坐標測量臂。被稱為"鉸接式臂" 或"便攜式CMM"的類似系統(tǒng)可從"Romer"(產(chǎn)品名為"Sigma"、 "Flex"或 "Omega")禾口"CimCore"(產(chǎn)品名為"Infinite"或"Stinger")獲得。
鉸接式3D坐標測量臂以其良好的靈活性、易于處理、其緊湊設(shè)計、 其低重量和移動使用的可能性著稱。通過安裝在鉸接式3D坐標測量臂上 的3D圖像記錄單元，即使在可達性較差的區(qū)域內(nèi)也可進行三維圖像記 錄，而無需其直接看到鉸接式3D坐標測量臂的基部，這是因為可使該鉸 接式3D坐標測量臂傾斜。因而，即使在車輛內(nèi)部，也可高精度地定位到 外部坐標系。
在另一個可選實施方式中，所述測量設(shè)備呈結(jié)合到所述物體坐標系
的光學(xué)激光測量系統(tǒng)的形式，特別是激光跟蹤系統(tǒng)。所述3D圖像記錄單 元在所述物體坐標系中的位置和取向由所述激光測量系統(tǒng)通過直接或間 接地觀測所述3D圖像記錄單元而以非接觸方法確定。適用于該目的的激 光測量系統(tǒng)為例如來自"Leica Geosystems"的激光跟蹤器系統(tǒng)"T一Cam"， 其在所有六個自由度中都以高精確度光學(xué)確定3D圖像記錄單元可布置 于其上的探針支架"T—Probe"的位置和取向。激光跟蹤器系統(tǒng)"T—Cam" 定位在物體坐標系統(tǒng)中，因而能精確地確定3D圖像記錄單元的位置和取 向。而且通過使用該系統(tǒng)，使得所述測量系統(tǒng)與3D圖像記錄單元的保持 力分離。所述3D圖像記錄單元可例如通過鉸接式保持臂或用手保持。


下面將參照附圖示意性示出的具體工作實施例僅以示例的方式更加 詳細地描述根據(jù)本發(fā)明的方法和根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備，還討論本發(fā)明的其 他優(yōu)點。
附圖中
圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的勘測系統(tǒng)和方法，包括作為測量設(shè)備的鉸 接式3D坐標測量臂，并示出了 3D圖像記錄單元的第一及另一位置和取 向；
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的勘測系統(tǒng)和方法，包括位于第一和第二位 置中的鉸接式3D坐標測量臂；和
圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的勘測系統(tǒng)和方法，包括作為測量設(shè)備的光 學(xué)激光測量系統(tǒng)，并示出了 3D圖像記錄單元的第一及另一位置和取向。
具體實施例方式
圖1中示出的用于在物體坐標系O中在待勘測物體1的物體表面2 上進行非接觸坐標測量的勘測系統(tǒng)和勘測方法具有3D圖像記錄單元3， 其形成來用于對物體表面2的第一區(qū)域部分Si的第一三維圖像Pt的進行 電子記錄。該3D圖像記錄單元3包括三個電子照相機3a， 3b， 3c (參見
圖2)，這些照相機從三個不同記錄角度記錄第一區(qū)域部分Sp以產(chǎn)生三 維圖像P"三個電子照相機3a, 3b， 3c以固定方式彼此固定結(jié)合在3D 圖像記錄單元3的單個殼體內(nèi)，并且彼此具有固定的相對光學(xué)取向和距 離。這樣的系統(tǒng)為例如來自"CogniTens"的"Optigo"。通過3D圖像記錄單 元3，在第一位置x,， "， z!和第一取向(pp w， id下電子記錄物體表面 2第一區(qū)域部分S！的第一三維圖像P,，第一三維圖像Pi包括多個第一像 素ip所述第一像素分別與一項深度信息相關(guān)聯(lián)。3D圖像記錄單元3在 圖像坐標系統(tǒng)B中的第一 3D圖像坐標uu， Vli, w,i與第一像素h相關(guān)聯(lián)。 3D圖像記錄單元3電子輸出這些第一 3D圖像坐標uu， vH， Wli。
3D圖像記錄單元3在物體坐標系0中的第一位置xp yP z,和第一 取向W，①p iq由結(jié)合到物體坐標系0的測量設(shè)備4a確定。該測量設(shè)備 呈可調(diào)節(jié)機械鉸接式3D坐標測量臂4a的形式，并且對應(yīng)于例如"Romer" 的產(chǎn)品"Sigma"， "Flex"或"Omega"。鉸接式3D坐標測量臂4a具有附連 在物體坐標系O中的端部6和相對的可動測量端部7。通過樞轉(zhuǎn)連接器8 可樞轉(zhuǎn)地和/或可旋轉(zhuǎn)地彼此連接的多個臂部分9以可在第一空間部分Rl
(參照圖2)內(nèi)自由移動可動測量端部7的方式布置在端部6、 7之間。 而且，設(shè)置有與樞轉(zhuǎn)連接器8相關(guān)聯(lián)的角度傳感器10來確定各樞轉(zhuǎn)連接 器8的角度位置ct。由于3D圖像記錄單元3安裝在測量端部7上，從而 可動測量端部7以限定方式結(jié)合到3D圖像記錄單元3。 3D圖像記錄單 元3在物體坐標系0中的第一位置x,， y,， zt和第一取向化，w， iq由 已知的樞轉(zhuǎn)連接器8的角度位置a和臂部分9的固定或伸縮長度a確定。 結(jié)合到3D圖像記錄單元3的可動測量端部7可以六個自由度運動。鉸接 式3D坐標測量臂4a電子輸出所確定的3D圖像記錄單元3的第一位置
Xi， yi， Z!禾口第一取向(pp COn Ki。
將3D圖像記錄單元3的第一 3D圖像坐標Uli， vu， w"和3D圖像 記錄單元3的第一位置xp yi， a和第一取向化，co,, K,從鉸接式3D坐 標測量臂4a供應(yīng)到數(shù)據(jù)處理單元15。
數(shù)據(jù)處理單元15以這樣的方式形成通過已知的第一 3D圖像坐標 uu， vu, Wu和3D圖像記錄單元3的第一位置Xi， yi， zj口第一取向cpi，W， A,而使物體坐標系0中的第一3D物體坐標Xu, yH， zu以電子方 式與第一像素i,的相關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)處理單元15輸出含有分配給第一像素h 的第一3D物體坐標Xu， yn， ^的信號。該信號可由計算機進一步處理， 在顯示器上以圖像的形式光學(xué)顯示出來，或被記錄以在稍后進一步加以 處理。
將3D圖像記錄單元3從第一位置Xi， yi， z,和第一取向cp!， cop Kl 轉(zhuǎn)到第一空間Ri (參照圖2)中的如圖1中虛線所示的另一位置X2， y2， Z2和另一取向(P2， ca2， k2。如在第一位置和取向中的那樣，在3D圖像記
錄單元3處于所述另一位置X2， y2， Z2和另一取向(P2， C02， TC2的情況下，
電子記錄物體表面2的另一區(qū)域部分S2的另一三維圖像P2。 3D圖像記
錄單元3在物體坐標系0中所述另一位置X2， y2， Z2和另一取向(P2， oa2，
K2也按照上述方式通過測量設(shè)備4a、即鉸接式3D坐標測量臂4a加以確 定。如在第一圖像記錄的情況下的那樣，通過已知的所述另一三維圖像 P2的另一3D圖像坐標u2i， v2i， W2i和3D圖像記錄單元3的所述另一位 置X2， y2， Z2和所述另一取向(p2， 0)2， k2，使物體坐標系0中的另一3D
物體坐標X2i， y2i， Z2i與所述另一三維圖像P2的另一像素i2相關(guān)聯(lián)。因而，
實現(xiàn)了獨立而高精度地從外部定位兩個三維圖像Pi和p2。
也如在第一圖像記錄情況下的那樣，將對應(yīng)的信號供給到數(shù)據(jù)處理
單元15，數(shù)據(jù)處理單元15在數(shù)據(jù)處理之后，再次輸出包含與第二像素i2 相關(guān)聯(lián)的第二3D物體坐標X2i， y2i， &的信號。
如圖1所示，物體表面2第一區(qū)域部分St和另一區(qū)域部分S2彼此部 分重疊。具有第一3D物體坐標化，yii， Zh的第一三維圖像P!和具有另 一 3D物體坐標x2i， y2i， z2i的另一三維圖像P2通過數(shù)據(jù)處理單元15電子 組合，從而形成相銜接的三維圖像Pw2，并且以另一信號的形式輸出。
3D圖像記錄單元3在圖像記錄過程中由充分吸收保持力的保持裝置 11保持在各位置和取向下。圖1中僅僅以3D圖像記錄單元3上的固定 點的形式示意性示出保持裝置11。該保持裝置11為例如未示出的并且將 3D圖像記錄單元3保持在適當(dāng)位置處的鉸接式保持臂的形式?？蛇x地， 保持裝置11為手柄，3D圖像記錄單元3通過該手柄被保持在適當(dāng)?shù)奈?br> 置和取向下。這里應(yīng)指出的是，位置和取向在相對長的時間段內(nèi)保持恒 定并不重要，重要的是在記錄圖像時，通過測量設(shè)備高精度地確定位置 和取向。
通過保持裝置11 ，測量設(shè)備4a、即鉸接式3D坐標測量臂4a基本上 與在保持3D圖像記錄單元3的過程中作用的保持力分離。因而，沒有彎 曲或扭轉(zhuǎn)力從3D圖像記錄單元3作用在鉸接式3D坐標測量臂4a上， 從而所述臂可以進行高精度的測量。
圖2示出用于記錄不能從空間部分R,記錄的另一區(qū)域部分S2的勘測 方法和勘測系統(tǒng)，在空間部分R1中，鉸接式3D坐標測量臂4a的運動范 圍(latitude)允許3D圖像記錄單元3運動。因而，需要改變鉸接式3D 坐標測量臂4a的位置。結(jié)合在物體坐標系O中的端部6定位在第一位置 Ap以通過3D圖像記錄單元3記錄第一區(qū)域部分Si的第一三維圖像Pi， 所述3D圖像記錄單元3的第一位置Xl， yi， 21和第一取向化，w， Kl 在第一空間部分R,中確定。按照如圖1中所描述的方式進行圖像記錄。 為了通過3D圖像記錄單元3記錄另一區(qū)域部分S2的另一三維圖像P2， 鉸接式3D坐標測量臂4a通過其結(jié)合端部6被定位在第二位置A2，以使 3D圖像記錄單元3轉(zhuǎn)到第二空間部分R2中的另一位置X2， y2， 22和另一
取向(p2， 0)2， K2。所述另一位置X2， y2， Z2禾卩另一取向(p2， C02， K2王見在
允許記錄另一區(qū)域部分S2。第二圖像記錄也按照如圖1中所描述的方式 進行。由于可將鉸接式3D坐標測量臂4a設(shè)計成是緊湊且可移動的，因 此可以通過簡單的方式將位置從第一位置A,變化到第二位置A2。
第一位置A!由第一地面固定物12確定，所述第一地面固定物12在 物體坐標系O中進行定位，并且結(jié)合端6可卸下地固定在其中。第二位 置A2也由第二地面固定物13確定，所述第二固定物13在物體坐標系O 中進行定位，并且結(jié)合端6可卸下地固定在其中。因而可通過第一地面 固定物12將鉸接式3D坐標測量臂4a結(jié)合到物體坐標系O來確定第一 位置xp yi， Z!和第一取向((V C0i， Kl，并且通過第二地面固定物13來 確定至少一個另一位置x2， y2， Z2和另一取向cp2， co2， k2。地面固定物 12或13通常理解為是指限定的機械參照點(例如呈機械容器形式的機械200810215403.2
說明書第11/11頁
參照點)和/或光學(xué)或其他參照點(例如呈標記或某一磁場形式的參照點)。
作為使用地面固定物12和13的替換形式，或除了使用地面固定物 12和13之外，還設(shè)置光學(xué)參照激光測量系統(tǒng)14。第一位置Ai和第二位 置A2由在物體坐標系O中加以定位的光學(xué)參照激光測量系統(tǒng)14光學(xué)確 定。鉸接式3D坐標測量臂4a通過光學(xué)參照激光測量系統(tǒng)14結(jié)合到物體 坐標系O，用于確定第一位置xp yi， Zi和第一取向cpp w， Kl，并且用 于確定另一位置X2， y2， Z2和另一取向q)2， o2, k2。測量鉸接式3D坐標 測量臂4a上的限定點并且因而確定并且定位出結(jié)合端部6的實際位置的 激光跟蹤器可用作參照激光測量系統(tǒng)14。從現(xiàn)有技術(shù)可知該類型的適當(dāng) 的激光跟蹤器。
圖3顯示了圖1的勘測方法和勘測系統(tǒng)的另一可選實施方式。這里， 沒有采用圖1的鉸接式3D坐標測量系統(tǒng)4a，而是采用結(jié)合到物體坐標 系O的光學(xué)激光測量系統(tǒng)4b、特別是激光跟蹤系統(tǒng)作為測量設(shè)備。3D 圖像記錄單元3在物體坐標系0中的第一位置xp yi， 21和第一取向(pp
COp Ki，和另一位置X2， y2， Z2和另一取向Cp2， 0)2， K2由激光測量系統(tǒng)
4b通過觀測3D圖像記錄單元3而以非接觸方法加以確定。適于確定所 有六個自由度的激光測量系統(tǒng)為例如"Leica Geosystems"的激光跟蹤器系 統(tǒng)"T-Cam"，其在所有六個自由度中都以高精度通過光學(xué)方式確定結(jié)合到 3D圖像記錄單元3的接收器16"T—Probe"的位置和取向。形成激光測量 系統(tǒng)4b的激光跟蹤器系統(tǒng)"T-Cam"在物體坐標系O中被定位，并因此可 精確地確定3D圖像記錄單元3的位置和取向。而且，通過使用該系統(tǒng)， 使測量系統(tǒng)4b與3D圖像記錄單元3的保持力分離。3D圖像記錄單元3 由保持裝置ll保持，例如通過鉸接式保持臂或通過手保持。
權(quán)利要求
1.一種用于在物體坐標系(O)中對于待測物體(1)的物體表面(2)進行非接觸坐標測量的方法，其中通過處在第一位置(x1，y1，z1)和第一取向(　l，ωl，кl)下的3D圖像記錄單元(3)電子記錄所述物體表面(2)的第一區(qū)域部分(S1)的第一三維圖像(P1)，所述第一三維圖像(P1)包括多個第一像素(i1)，所述第一像素分別與一項深度信息相關(guān)聯(lián)，所述3D圖像記錄單元(3)為特別是在所述圖像記錄單元(3)的單個殼體內(nèi)的單個裝置，該裝置包括用于記錄所述第一三維圖像(P1)的元件，使所述3D圖像記錄單元(3)在圖像坐標系(B)中的第一3D圖像坐標(u1i，v1i，w1i)與所述第一像素(i1)相關(guān)聯(lián)，通過結(jié)合到所述物體坐標系(O)的測量設(shè)備(4a，4b)確定所述3D圖像記錄單元(3)在所述物體坐標系(O)中的第一位置(x1，y1，z1)和第一取向(　1，ω1，к1)，通過已知的所述第一3D圖像坐標(u1i，v1i，w1i)和所述3D圖像記錄單元(3)的所述第一位置(x1，y1，z1)和第一取向(　1，ω1，к1)，而使所述物體坐標系(O)中的所述第一3D物體坐標(x1i，y1i，z1i)與所述第一像素(i1)相關(guān)聯(lián)，使所述3D圖像記錄單元(3)從所述第一位置(x1，y1，z1)和第一取向(　1，ω1，к1)轉(zhuǎn)到至少一個另一位置(x2，y2，z2)和另一取向(　2，ω2，к2)中，通過處于所述另一位置(x2，y2，z2)和另一取向(　2，ω2，к2)下的所述3D圖像記錄單元(3)電子記錄所述物體表面(2)的至少一個另一區(qū)域部分(S2)的至少一個另一三維圖像(P2)，通過所述測量設(shè)備(4a，4b)在所述物體坐標系(O)中確定所述3D圖像記錄單元(3)的所述另一位置(x2，y2，z2)和另一取向(　2，ω2，к2)，以及通過已知的所述另一三維圖像(P2)的所述另一3D圖像坐標(u2i，v2i，w2i)和所述3D圖像記錄單元(3)的所述另一位置(x2，y2，z2)和另一取向(　2，ω2，к2)，而使所述物體坐標系(O)中的另一3D物體坐標(x2i，y2i，z2i)與所述另一三維圖像(P2)的所述另一像素(i2)相關(guān)聯(lián)。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述物體表面(2)的所述第一區(qū)域部分(S!)和至少一個另一區(qū)域 部分(S2)部分重疊，而且將具有所述第一 3D物體坐標(xn， yu， Zli)的所述第一三維圖像(P,) 和具有所述另一3D物體坐標(x2i， y2i， z2i)的所述至少一個另一三維圖 像(P2)組合，以形成相銜接的三維圖像(P1+2)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述測量設(shè)備(4a， 4b) 基本上與在所述3D圖像記錄單元(3)的保持過程中作用的保持力分離。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述3D圖像記錄單元(3)在圖像記錄過程中由充分吸收保持力的保持裝置(11)保持。
5. 如權(quán)利要求3或4所述的方法，其中所述測量設(shè)備呈可調(diào)節(jié)的機械鉸接式3D坐標測量臂(4a)的形式，該測量設(shè)備包括結(jié)合在所述物體坐標系(O)中的端部(6)和相對的可動測量 端部(7)，多個臂部分(9)，所述多個臂部分布置在所述端部(6， 7)之 間，并且通過樞轉(zhuǎn)連接器(8)可樞轉(zhuǎn)和/或可旋轉(zhuǎn)地相互連接，以使 得所述可動測量端部(7)可在第一空間部分(R》內(nèi)自由運動，和角度傳感器(10)，其與所述樞轉(zhuǎn)連接器(8)相關(guān)聯(lián)，用于確 定各樞轉(zhuǎn)連接器(8)的角度位置(a)，所述可動測量端部(7)以限定方式結(jié)合到所述3D圖像記錄單 元(3)，而且通過已知的所述樞轉(zhuǎn)連接器(8)的角度位置(a)和所述臂部分(9) 的長度(a)確定所述3D圖像記錄單元(3)在所述物體坐標系(0)中 的第一位置(x,， yi， Zl)和第一取向(cpp cop Kl)以及所述另一位置(x2， y2， z2)禾卩另一取向((p2，①2, k2)。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中，結(jié)合到所述3D圖像記錄單元 (3)的所述可動測量端部(7)可以以六個自由度運動。
7. 如權(quán)利要求5或6所述的方法，其中，結(jié)合到所述物體坐標系(O) 中的所述端部(6)定位在第一位置(A。，用于由其第一位置(Xl， yi， Zl)和第一取 向(cpi， op Kl)在所述第一空間部分(R。內(nèi)確定了的所述3D圖像記 錄單元(3)來記錄所述第一區(qū)域部分(S,)的所述第一三維圖像(P》， 而且定位在第二位置(A2)，用于由在第二空間部分(R2)內(nèi)處于所述至 少另一位置(x2， y2， z2)和所述另一取向((p2， cd2， k2)下的所述3D圖 像記錄單元(3)來記錄所述至少一個另一區(qū)域部分(S2)的所述至少一 個另一三維圖像(P2)。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中通過第一地面固定物(12)確定所述第一位置(A》，所述第一地面 固定物在所述物體坐標系(0)中被定位，并且所述結(jié)合端部(6)固定 在其中，并且通過第二地面固定物(12)確定所述第二位置(A2)，所述第二地面 固定物在所述物體坐標系(0)中被定位，并且所述結(jié)合端部(6)固定 在其中，并且所述鉸接式3D坐標測量臂(4a)通過所述第一地面固定物(12)結(jié)合到所述物體坐標系(O)，用于 確定所述第一位置(xt， yi， Zl)和第一取向(化， ,， k,)，和通過所述第二地面固定物(13)結(jié)合到所述物體坐標系(O)，用于 確定所述至少一個另一位置(x2， y2， z2)和另一取向(cp2， 2， K2)。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中 通過在所述物體坐標系(O)中被定位的光學(xué)參照激光測量系統(tǒng)(14) 光學(xué)確定所述第一位置(A,)和所述第二位置(A2)，并且所述鉸接式3D坐標測量臂(4a)通過所述光學(xué)參照激光測量系統(tǒng) (14)結(jié)合到所述物體坐標系(O)，用于確定所述第一位置(x!， yi， Zl)和第一取向(cp!， COp Kl)和用于確定所述至少一個另一位置(x2， y2， z2)和另一取向(cp2， 2， K2)。
10. 如權(quán)利要求3或4所述的方法，其中所述測量設(shè)備呈結(jié)合到所述物體坐標系(O)的光學(xué)激光測量系統(tǒng) (4b)、特別是激光跟蹤系統(tǒng)的形式，并且所述3D圖像記錄單元(3)在所述物體坐標系(O)中的第一位置 (Xl， yi， Zl)和第一取向((pP op Kl)由所述激光測量系統(tǒng)(4b)通 過直接或間接地觀測所述3D圖像記錄單元(3)而以非接觸方法確定。
11. 如權(quán)利要求1到10中任一所述的方法，其中，所述3D圖像記 錄單元(3)包括至少兩個電子照相機(3a， 3b， 3c),所述電子照相機 從至少兩個不同記錄角度記錄所述第一區(qū)域部分(S,),以產(chǎn)生所述三維 圖像(P。。
12. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其中 所述至少兩個電子照相機(3a， 3b， 3c)彼此固定結(jié)合在所述3D圖像記錄單元(3)的單個殼體內(nèi)，并且 具有彼此間固定的相對光學(xué)取向和距離。
13. —種用于在物體坐標系(O)中在待測物體(1)的物體表面(2) 上進行非接觸坐標測量的勘測系統(tǒng)，包括3D圖像記錄單元(3)，該3D圖像記錄單元形成為用于所述物體表面(2)的第一區(qū)域 部分(S》的第一三維圖像(P》的電子記錄，所述第一三維圖像(P》 包括多個第一像素(h)，所述第一像素分別與一項深度信息相關(guān)聯(lián)， 并且 該3D圖像記錄單元電子輸出與圖像坐標系(B)中的所述第一 像素(i。相關(guān)聯(lián)的所述第一 3D圖像坐標(Uli， vn， Wli)，并且該3D圖像記錄單元為特別是在所述圖像記錄單元(3)的單個 殼體內(nèi)的單個裝置，該裝置包括用于記錄所述第一三維圖像(P》的 元件，測量設(shè)備(4a， 4b)該測量設(shè)備可結(jié)合到所述物體坐標系(O)，并且 該測量設(shè)備形成為用于確定所述3D圖像記錄單元(3)在所述物體坐標系(0)中的第一位置(xP yi， Zl)和第一取向(cpp①pK》，以及數(shù)據(jù)處理單元(15)所述第一3D圖像坐標(Uli， vu， Wli)從所述3D圖像記錄單元 (3)供給到所述數(shù)據(jù)處理單元(15)，并且所述3D圖像記錄單元(3) 的所述第一位置(A， yi， Zl)和第一取向(91， (Op Kl)從所述測 量設(shè)備(4a， 4b)供給到所述數(shù)據(jù)處理單元(15),該數(shù)據(jù)處理單元以這樣的方式形成通過已知的所述第一 3D圖 像坐標(Uli， Vli， Wli)和所述圖像記錄單元(3)的所述第一位置(Xl， yi， Zl)和第一取向((fh， cop Kl)，而使所述物體坐標系(O)中的所述第一3D物體坐標(Xli， yii， Zli)與所述第一像素a)相關(guān)聯(lián)，并且該數(shù)據(jù)處理單元輸出包含與所述第一像素(h)相關(guān)聯(lián)的所述第 一3D物體坐標(Xli， yu， Zli)的信號。 '
14. 如權(quán)利要求13所述的勘測系統(tǒng)，其中，所述測量設(shè)備(4a， 4b) 基本上與在保持所述3D圖像記錄單元(3)過程中作用的保持力分離。
15. 如權(quán)利要求14所述的勘測系統(tǒng)，該勘測系統(tǒng)包括保持裝置(ll)， 該保持裝置在圖像記錄過程中充分吸收在保持所述3D圖像記錄單元(3) 期間作用的保持力。
16. 如權(quán)利要求13到15中任一所述的勘測系統(tǒng)，其中，所述測量 設(shè)備呈可調(diào)節(jié)的機械鉸接式3D坐標測量臂(4a)的形式，該測量設(shè)備包 括可結(jié)合在所述物體坐標系(0)中的端部(6)和相對的可移動測量 端部(7)，多個臂部分(9)，其布置在所述端部(6， 7)之間，并且可樞轉(zhuǎn)地 和/或可旋轉(zhuǎn)地通過樞轉(zhuǎn)連接器(8)以所述可移動測量端部(7)在第一 空間部分(Rl)內(nèi)可自由移動的方式彼此連接，和角度傳感器(10)，其與所述樞轉(zhuǎn)連接器(8)相關(guān)聯(lián)，用于確定所 述各樞轉(zhuǎn)連接器(8)的角度位置(cc)，所述可動測量端部(7)以限定方式結(jié)合到所述3D圖像記錄單元(3)， 并且所述鉸接式3D坐標測量臂(4a)以這樣的方式形成通過已知的所 述樞轉(zhuǎn)連接器(8)的角度位置(a)和所述臂部分(9)的長度(a)確 定所述3D圖像記錄單元(3)在所述物體坐標系(O)中的第一位置(Xl， yi， Zl)和第一取向(cpp co,， Kl)，并將所述第一位置和第一取向供給到 所述數(shù)據(jù)處理單元(15)。
17. 如權(quán)利要求16所述的勘測系統(tǒng)，其中，結(jié)合到所述3D圖像記 錄單元(3)的所述可動測量端部(7)可以以六個自由度運動。
18. 如權(quán)利要求16或17所述的勘測系統(tǒng)，該勘測系統(tǒng)包括光學(xué)參 照激光測量系統(tǒng)(14)，其在所述物體坐標系(O)中被定位，并且具有 至所述數(shù)據(jù)處理單元(15)的信號鏈路，用于將所述鉸接式3D坐標測量 臂(4a)結(jié)合到所述物體坐標系(0)。
19. 如權(quán)利要求13到15中任一所述的勘測系統(tǒng)，其中 所述測量設(shè)備呈結(jié)合到所述物體坐標系(0)的光學(xué)激光測量系統(tǒng)(4b)、特別是激光跟蹤系統(tǒng)的形式，并且所述光學(xué)激光測量系統(tǒng)(4b)以這樣的方式形成所述3D圖像記錄 單元(3)在所述物體坐標系(0)中的第一位置(Xl， yi， Zl)和第一取 向(w， co,， Kl)由所述激光測量系統(tǒng)(4b)通過直接或間接地觀測所述 3D圖像記錄單元(3)而以非接觸方法確定，并且將所述第一位置和第 一取向供給到所述數(shù)據(jù)處理單元(15)。
20. 如權(quán)利要求13到19中任一所述的勘測系統(tǒng)，其中，所述3D 圖像記錄單元(3)包括至少兩個電子照相機(3a， 3b， 3c)，所述電子 照相機從至少兩個不同的記錄角度記錄所述第一區(qū)域部分(S》，用于產(chǎn) 生所述三維圖像(P。。
21. 如權(quán)利要求20所述的勘測系統(tǒng)，其中，所述至少兩個電子照相 機(3a， 3b， 3c)彼此固定結(jié)合在所述3D圖像記錄單元(3)的單個殼體內(nèi)，并且 具有彼此間固定的相對光學(xué)取向和距離。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于在物體坐標系中在待測物體的物體表面上進行非接觸坐標測量的方法和勘測系統(tǒng)。通過3D圖像記錄單元，在第一位置和第一取向下電子記錄物體表面的第一區(qū)域部分的第一三維圖像，該第一三維圖像包括多個第一像素，所述第一像素分別與一項深度信息相關(guān)聯(lián)。使所述3D圖像記錄單元在圖像坐標系中的第一3D圖像坐標與所述第一像素相關(guān)聯(lián)。通過結(jié)合到所述物體坐標系的測量設(shè)備確定所述3D圖像記錄單元在所述物體坐標系中的第一位置和第一取向。通過已知的所述第一3D圖像坐標和所述3D圖像記錄單元的所述第一位置和第一取向，而使所述物體坐標系中的第一3D物體坐標與所述第一像素相關(guān)聯(lián)。
文檔編號G01B11/00GK101363717SQ20081021540
公開日2009年2月11日 申請日期2008年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月10日
發(fā)明者克努特·西爾克斯, 波·佩特爾松, 貝內(nèi)迪克特·澤布霍塞爾 申請人:萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司