用于光學(xué)掃描和測量環(huán)境的裝置的制造方法
【專利說明】用于光學(xué)掃描和測量環(huán)境的裝置
[0001]本發(fā)明涉及具有權(quán)利要求1所述的通用術(shù)語的特征的裝置。
[0002]從US 6，826，299 B2得知這種裝置。投影儀將光圖案投射到要被掃描的對象的表面。通過經(jīng)投射、編碼的圖案來確定投影儀的位置。兩個(gè)(或更多個(gè))攝像機(jī)可以記錄具有另一未編碼的圖案的表面的圖像,其中已知或已確定所述兩個(gè)(或更多個(gè))攝像機(jī)的相對位置和對準(zhǔn)性?？梢酝ㄟ^本來公知的數(shù)學(xué)方法,例如核面幾何來確定(圖案的點(diǎn)的)三維坐標(biāo)。
[0003]根據(jù)游戲領(lǐng)域,掃描儀被認(rèn)為是跟蹤裝置，其中,投影儀將編碼的光圖案投射到要追蹤的目標(biāo)上，以隨后用攝像機(jī)記錄該編碼的光圖案并且確定用戶的坐標(biāo)，其中所述對象優(yōu)選地是正在玩的用戶。
[0004]US 8，238，611 B2公開了一種用于掃描場景的系統(tǒng),包括距離測量。該系統(tǒng)在其最簡單的形式下包括具有兩個(gè)攝像機(jī)的攝像機(jī)單元，所述攝像機(jī)可選地具有濾波器，以用于目標(biāo)區(qū)域的立體配準(zhǔn)；用于優(yōu)選地通過衍射光學(xué)元件在目標(biāo)區(qū)域中生成圖案的照明單元；以及同步單元，其使得照明單元和攝像機(jī)單元同步。攝像機(jī)單元和照明單元可以被裝配在可選的相對位置中?？蛇x地，也可以使用兩個(gè)攝像機(jī)單元或兩個(gè)照明單元。
[0005]本發(fā)明基于改進(jìn)引言中提到的那種類型的裝置的目的。根據(jù)本發(fā)明，通過具有權(quán)利要求I所述的特征的裝置來實(shí)現(xiàn)該目的。從屬權(quán)利要求涉及有益的配置。
[0006]與編碼的圖案相比,能夠更容易地產(chǎn)生未編碼的圖案,例如作為光點(diǎn)的規(guī)則圖案。然后，為了記錄具備圖案的對象的圖像以及為了獲得圖案的光點(diǎn)的明確的對應(yīng)關(guān)系,使用兩個(gè)(或更多個(gè))攝像機(jī)。以不共線的方式而是以三角形布置的方式布置兩個(gè)攝像機(jī)和投影儀。因此,可以使用三個(gè)核面幾何形狀，以確定攝像機(jī)圖像中的圖案之間的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)已知這些對應(yīng)關(guān)系時(shí)，可以確定點(diǎn)云的三維坐標(biāo)，即，3D掃描。
[0007]優(yōu)選地,不在可見光波長范圍內(nèi)產(chǎn)生圖案,而是在紅外線范圍(700納米至I毫米)內(nèi)產(chǎn)生圖案。當(dāng)可以在可見光波長范圍內(nèi)濾除散射光和其它千涉時(shí)，兩個(gè)攝像機(jī)在該波長范圍內(nèi)具有相應(yīng)的敏感度?？梢栽O(shè)置彩色攝像機(jī)以作為用于顏色信息的第三攝像機(jī)，這種攝像機(jī)也記錄要被掃描的對象的圖像?？梢杂萌绱双@得的顏色信息對3D掃描著色。
[0008]手持式掃描儀從不同的位置產(chǎn)生同一場景的多個(gè)3D掃描。靜止圖案有助于公共坐標(biāo)系中的不同的3D掃描的配準(zhǔn),其中能夠由不同的3D掃描捕獲所述靜止圖案。當(dāng)手持式掃描儀被移動并且處在不同的位置時(shí)，靜止圖案相對于對象停止工作?？梢詫ο蟮谋砻娴淖匀患y理和其它結(jié)構(gòu),例如邊緣用作靜止圖案,通過作為第三攝像機(jī)的彩色攝像機(jī)來捕獲這樣的紋理,或者(另外地或可替選地)使用由分立的(外部的)投影儀產(chǎn)生投射圖案。該靜止圖案在幾何形狀、時(shí)間或光譜方面可以有別于由手持式掃描儀產(chǎn)生的圖案。
[0009]可以想到具有三個(gè)(或更多個(gè))攝像機(jī)以及多個(gè)投影儀的模塊化設(shè)計(jì)，通過該模塊化設(shè)計(jì),通過投射并且記錄具有不同的點(diǎn)密度和橫向分辨率的圖案的圖像來實(shí)現(xiàn)取決于應(yīng)用的需求。
[0010]可以通過以下方法來實(shí)現(xiàn)圖案的產(chǎn)生:偏轉(zhuǎn)法，例如通過衍射光學(xué)元件或微透鏡(或單個(gè)激光器)的產(chǎn)生；或者明暗處理法,例如通過遮板、幻燈片(因?yàn)榛脽羝瑢⒈挥迷诨脽羝队皟x中)以及其它遮光板的產(chǎn)生。偏轉(zhuǎn)法的優(yōu)點(diǎn)在于丟失更少的光并且因此可得到較高的強(qiáng)度。
[0011]在本發(fā)明中，手持式掃描儀被設(shè)計(jì)為便攜式掃描儀，即，它高速工作且具有小重量。然而,還可以將手持式掃描儀安裝在三腳架上(或者另一架子上)、安裝在可手動移動的臺車(或另一手推車)上、或者安裝在自主移動的機(jī)器人上，即不由用戶攜帶手持式掃描儀一可選地還通過使用另一殼體，例如沒有手柄部的殼體來承載手持式掃描儀。因此，概念“手持式掃描儀”必須具有廣泛釋義，從而概念“手持式掃描儀”通常包括被配置成緊湊單元的掃描儀。
[0012]手持式掃描儀的操作可以在一系列幀或者視頻中引起閉環(huán),尤其在對象O被環(huán)繞時(shí)。優(yōu)選地，該閉環(huán)被自動識別并且被用于校正潛在的測量誤差。為此，優(yōu)選地，針對多個(gè)中貞中的任何1I1貞均形成一個(gè)平截頭體(frustum),這樣的平截頭體包含表不3D掃描的三維點(diǎn)云的點(diǎn)的某一部分,其中根據(jù)幀來確定3D掃描并且將其分配給所述幀。形成最新的幀的平截頭體與多個(gè)過去的幀的平截頭體的交集，其中，選擇具有主要交集的過去的的平截頭體?？梢酝ㄟ^搜索、比較和確定特征來識別閉環(huán)。
[0013]為了減少要被手持式掃描儀保存和/或傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的量，優(yōu)選地(在后處理中)對鄰近幀進(jìn)行平均化，優(yōu)選地通過將二維結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)量劃分成幀的組并且通過該組中的幀來進(jìn)行平均化。
[0014]下面根據(jù)附圖中圖示的示例實(shí)施方式來更加詳細(xì)地說明本發(fā)明，在附圖中:
[0015]圖1示出了裝置的示意性圖示；
[0016]圖2示出了通過衍射光學(xué)元件產(chǎn)生圖案的示意性圖示；
[0017]圖3示出了一個(gè)圖案及另一圖案；
[0018]圖4示出了投影儀平面、圖像平面以及核線的示意性圖示；
[0019]圖5示出了平均化的示意性圖示；以及
[0020]圖6示出了閉環(huán)的示意性圖示。
[0021]手持式掃描儀100被設(shè)置成裝置的便攜式部分,所述裝置用于光學(xué)掃描和測量該手持式掃描儀100的環(huán)境。手持式掃描儀100具有基部104、從基部104突出的手柄部106，在正常使用的情況下該手柄部106朝上；以及被設(shè)置在手柄部106上的頭端108,在正常使用的情況下該頭端108在手柄部106的上端。手持式掃描儀100的用戶可以通過手柄部106握住手持式掃描儀100,配置該手柄部106以攜帶手持式掃描儀100大步穿過環(huán)境，以及在該環(huán)境中使手持式掃描儀100與對象O對準(zhǔn)。
[0022]第一攝像機(jī)111和第二攝像機(jī)112被布置在頭端108中，以定義的距離彼此間隔開。按照使得對象O的立體圖像和視場重疊是可能的方式調(diào)節(jié)或者能夠調(diào)節(jié)第一攝像機(jī)111與第二攝像機(jī)112彼此的對準(zhǔn)。如果固定對準(zhǔn),則存在取決于應(yīng)用的最佳的重疊范圍。至于準(zhǔn)確度，與投影儀到攝像機(jī)的距離相似的重疊范圍會是有利的。取決于典型的環(huán)境情況,幾分米或幾米的范圍也可以是優(yōu)選的。可替選地，可以由用戶，例如通過圍繞與手柄部106平行的旋轉(zhuǎn)軸相反地樞轉(zhuǎn)攝像機(jī)111和攝像機(jī)112來調(diào)節(jié)對準(zhǔn)。如果跟蹤用戶的調(diào)節(jié)過程,則手持式掃描儀100在任何時(shí)間都可以已知該對準(zhǔn),或者初始對準(zhǔn)是隨機(jī)的(以及未知的)，并且然后通過校準(zhǔn)使手持式掃描儀100已知該對準(zhǔn)。
[0023]第一攝像機(jī)111和第二攝像機(jī)112優(yōu)選地是單色的，也就是說,例如通過使第一攝像機(jī)111和第二攝像機(jī)112配置有相應(yīng)的濾波器而使其對窄波長范圍敏感,其中，濾波器隨后濾除其它的波長范圍，包括散射光。這種窄波長范圍優(yōu)選地在紅外范圍內(nèi)。然而，為了獲得關(guān)于對象O的顏色信息,彩色攝像機(jī)113優(yōu)選地被布置在頭端108中，優(yōu)選地與第一攝像機(jī)111和第二攝像機(jī)112對稱地對準(zhǔn),并且被布置在第一攝像機(jī)111和第二攝像機(jī)112的中心處。然后，彩色攝像機(jī)113對可見光波長范圍敏感。
[0024]手持式掃描儀100具有優(yōu)選地被配置成觸摸屏的顯示和控制單元115。顯示和控制單元115優(yōu)選地被布置在頭端108處，位于背向攝像機(jī)111、攝像機(jī)112以及攝像機(jī)113(如果有的話)的一側(cè)上。顯示和控制單元115可以被配置成是可拆卸的。攝像機(jī)111、攝像機(jī)112和攝像機(jī)113 (如果有的話)以及顯示和控制單元115被連接至控制和評估單元118,控制和評估單元118優(yōu)選地被布置在頭端108中?？刂坪驮u估單元118優(yōu)選地可以預(yù)處理攝像機(jī)111、攝像機(jī)112以及攝像機(jī)113(如果有的話)的數(shù)據(jù),可選地已產(chǎn)生3D掃描并且將適當(dāng)?shù)囊晥D提供到顯示和控制單元115。可替選地，根本不存在