专利名称：三维测量装置和三维测量方法
技术领域：
本发明涉及三维测量装置，更具体地，涉及使得即使在多个被测点彼此重叠时也可以精确地执行对各个测量点的三维测量的三维测量装置和三维测量方法。
背景技术：
常规上，已知一种使用利用多个CCD摄像机的立体视(stereoview)原理的三维测量方法。根据该常规技术，需要在从不同方向记录的图像之间对测量点进行匹配，并且对这些图像的处理复杂且�：�
图7是被设计以解决上述常规问题的三维测量装置的示意性结构图。三维测量装置100通过由电机30旋转的传动装置(gear)31来使得旋转筒33旋转，从而使装配到旋转筒33的前端的镜34和35旋转。利用这种布置，摄像机32记录被测点37的圆形轨迹(streak)图像36。图8是根据另一方法的三维测量装置的示意性结构图。三维测量装置200使用电机(未示出)通过传动装置41来使旋转筒42旋转，从而使按一角度装配到旋转筒42的前端的反射器43旋转。利用这种布置，摄像机40记录被测点44的圆形轨迹图像45。通过根据到测量点的距离适当地使用三维测量装置100和200，可以在测量点的数量少并且测量点的移动速度低时令人满意地执行三维测量。三维测量装置100被授权为日本专利第3346662号。
然而，当测量点的移动速度快时，如图9所示，测量点的轨迹图像变成螺旋形。在该螺旋形移动轨迹中，螺旋形轨迹的大小变化和螺距(pitch)对应于三维速度信息。当可以对该关系进行分析时，可以同时获得位置的三个分量和速度的三个分量。然而，根据常规装置，很难在测量点的数量大的情况下对重叠轨迹进行分析。
通过使系统按比测量点的移动速度快得足够多的速度旋转，可以近似地对圆形轨迹进行分析。然而，希望并非近似的对螺旋形图像的精确分析。
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种三维测量装置，其即使在存在大量圆形轨迹图像时也可以通过同时记录被测点的圆形轨迹图像和直线轨迹图像来对三维图像进行有效分析。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的权利要求1提供了一种三维测量装置，其执行对被测点的三维测量，所述三维测量装置包括图像形成单元，其可以检测至少两种颜色；分束器，其对从多个路径入射的光图像进行合成；镜，其使所述被测点的光图像的成像位置滑动预定的距离；着色单元，其对入射到所述分束器的一路径的光图像施加预定的颜色；旋转单元，其使所述分束器和所述镜按预定的旋转速度旋转；以及计算单元，其基于通过所述图像形成单元记录的光图像来计算所述被测点的三维位置。
根据本发明，使用分束器以使得可以同时记录直线轨迹图像(被测点的直接图像)和常规的圆形轨迹图像。此外，直线轨迹图像入射到的分束器表面装配有彩色膜，由此对入射的光图像进行着色。因此，通过对这些图像进行处理可以分别地识别圆形轨迹图像和直线轨迹图像。所述三维测量装置进一步包括计算单元，该计算单元基于图像形成单元记录的圆形轨迹图像和直线轨迹图像来计算三维位置。
根据本发明，通过使用分束器，可以合成地记录常规的圆形轨迹图像和经着色的直线轨迹图像，可以指定许多重叠的圆形轨迹图像。因此，可以有效地分析三维图像。
权利要求2提供了该三维测量装置，其中所述计算单元从所述图像形成单元获得经过了所述着色单元的所述被测点的直线轨迹图像以及来自所述旋转单元使其旋转的所述镜的圆形轨迹图像，由此计算所述被测点的移动方向以及到所述被测点的距离，并且由此测量所述被测点的三维位置和移动速度。
图像形成单元检测经着色直线轨迹图像以及圆形轨迹图像。例如，具有三基色CDD的彩色摄像机检测经着色直线轨迹图像和被测点的圆形轨迹图像。计算单元用PC等来检测图像信号，使用直线轨迹图像来计算被测点的移动距离和方向，并且使用圆形轨迹图像计算到被测点的距离。计算单元可以根据计算结果获得被测点的三维位置。
根据本发明，因为图像形成单元检测经着色直线轨迹图像和圆形轨迹图像，所以计算单元可以根据直线轨迹图像计算被测点的移动距离和方向，并且根据圆形轨迹图像计算到被测点的距离。计算单元可以根据计算结果获得被测点的三维位置并且同时识别各个被测点。
权利要求3提供了该三维测量装置，其中所述计算单元根据所述图像形成单元记录的所述直线轨迹图像来获得所述圆形轨迹图像的中心，并且提取与所述中心对应的圆形轨迹图像，由此使得可以从多个圆形轨迹图像中识别出特定的圆形轨迹图像。
当大量圆形轨迹图像重叠时，为了识别各个圆形轨迹图像，首先通过彩色图像处理来识别圆形轨迹图像的中心，并且提取与所述中心对应的圆形轨迹图像。利用这种设置，即使当在图像中存在大量圆形轨迹时，也可以有效地执行分析。
根据本发明，根据图像形成单元记录的直线轨迹图像来获得圆形轨迹图像的中心，由此提取与所述中心对应的圆形轨迹图像。利用这种设置，即使当在图像中存在大量圆形轨迹时，也可以有效地执行分析。
权利要求4提供了该三维测量装置，其中所述镜与所述分束器之间的距离可以改变以使得可以调节所述圆形轨迹图像的偏移量。
因为可以通过改变镜与分束器之间的距离来改变图像的偏移量，所以可以根据对象的距离来执行测量。例如，当镜固定于分束器时，当被测点很远时偏移量变小。这使得不能执行测量。在此情况下，通过增大镜与分束器之间的距离，偏移量增大并且可以执行测量。
根据本发明，因为可以改变镜与分束器之间的距离，所以可以基于被测点的距离来调节圆形轨迹图像的偏移量。
权利要求5提供了该三维测量装置，其中，当所述旋转单元是基于脉冲的相位差而旋转的脉冲电机时，所述计算单元分别计算所述脉冲电机在所述圆形轨迹图像的起始点和结束点的旋转角，由此检测所述圆形轨迹图像的所述起始点的位置和所述结束点的位置。
为了分析螺旋形轨迹，脉冲电机在要对其进行图像形成的轨迹的起始点和结束点的旋转角是必要的。在脉冲电机的Z相位将计数器复位到零，并且该计数器对脉冲进行计数。将产生图像信号的垂直同步信号时的计数器输出读取到个人计算机中。利用这种设置，可以检测螺旋的描绘起始位置(方向)和描绘结束位置(方向)。检测到的信息可以用于对螺旋的自动分析。
根据本发明，当旋转单元是脉冲电机时，计算单元计算脉冲电机在圆形轨迹图像的起始点和结束点的旋转角。因此，可以检测螺旋的描绘起始位置(方向)和描绘结束位置(方向)。检测到的信息可以用于对螺旋的自动分析。
权利要求6提供了一种对被测点进行三维测量的三维测量方法，所述方法包括图像形成单元，其可以检测至少两种颜色；分束器，其对从多个路径入射的光图像进行合成；镜，其使所述被测点的光图像的像聚焦位置滑动预定的距离；着色单元，其对入射到所述分束器的一路径的光图像施加预定颜色；旋转单元，其使所述分束器和所述镜按预定的旋转速度旋转；以及计算单元，其基于所述图像形成单元记录的光图像来计算所述被测点的三维位置，其中，所述计算单元从所述图像形成单元获得经过了所述着色单元的所述被测点的直线轨迹图像、以及来自所述旋转单元使其旋转的所述镜的圆形轨迹图像，以计算所述被测点的移动方向和到所述被测点的距离，由此测量所述被测点的三维位置和移动速度。
通过本发明可以实现与根据权利要求1和2所述的操作效果相同的操作效果。
权利要求7提供了该三维测量方法，其中，所述计算单元根据所述图像形成单元记录的所述直线轨迹图像来获得所述圆形轨迹图像的中心，并且提取与所述中心对应的圆形轨迹图像，由此使得可以从多个圆形轨迹图像中识别出特定的圆形轨迹图像。
通过本发明可以实现与根据权利要求3所述的操作效果相同的操作效果。
权利要求8提供了该三维测量方法，其中，改变所述镜与所述分束器之间的距离以使得可以改变所述圆形轨迹图像的偏移量。
通过本发明可以实现与根据权利要求4所述的操作效果相同的操作效果。
权利要求9提供了该三维测量方法，其中，当所述旋转单元是基于脉冲的相位差而旋转的脉冲电机时，所述计算单元分别计算所述脉冲电机在所述圆形轨迹图像的起始点和结束点的旋转角，由此检测所述圆形轨迹图像的所述起始点的位置和所述结束点的位置。
通过本发明可以实现与根据权利要求5所述的操作效果相同的操作效果。
图1是根据本发明实施例的三维测量装置的主要部件的结构的透视图；图2是根据本发明的三维测量装置的整体结构的框图；图3是根据本发明的与中心线上的点对应的螺旋的相位图；图4是根据本发明的目标直线轨迹Q上的点与螺旋轨迹P上的与轨迹Q上的该点对应的点之间(对应相位方向上的点c和j之间)的距离的分布图；图5(a)是被测点的距离与轨迹图像之间的关系的说明图；图5(b)是镜位置与轨迹图像之间的关系的说明图；图6是由根据本发明的三维测量装置的测试单元进行图像形成的流体中的示踪粒子(tracer particle)的像的图；图7是常规三维测量装置的示意性结构图；图8是根据另一方法的常规三维测量装置的示意性结构图；以及图9是示出测量点的轨迹图像变成螺旋形轨迹的图。
具体实施例方式
以下通过附图中示出的实施例来详细说明本发明。注意，除非另外指定，否则根据实施例的组成部件、种类、组合、形状、以及相对位置并非旨在限制本发明的范围。实施例仅仅用于说明的目的。
图1是根据本发明实施例的三维测量装置的相关部件的结构的透视图。三维测量装置50包括由三基色CCD构成的3CCD摄像机(图像形成单元)(此后，简称为摄像机)11；立方体分束器(此后，简称为分束器)12，其对从多个路径入射的光图像进行合成；镜14，其使被测点18的光图像的图像形成位置偏移预定距离；红色滤色器(着色单元)13，其对入射到分束器12的一路径的光图像施加预定颜色；电机(未示出)，其使分束器12和镜14沿箭头17的方向旋转；以及PC(未示出)，其基于摄像机11记录的光图像来计算被测点18的三维位置。虽然将红色滤色器13用作着色单元，但是也可以使用其他颜色。电机的旋转方向可以与这里说明的方向相反。
图2是根据本发明的三维测量装置的整体结构的框图。对与图1中的组成部件相同的组成部件分配相同的标号，并且省略重复的说明。在该结构中，分束器12和镜14集成到旋转筒62中，并且通过电机(旋转单元)61围绕摄像机11的光轴15沿箭头17的方向旋转。PC(计算单元)60检测摄像机11记录的图像，并且对图像进行处理。PC 60还控制对电机61的旋转角的检测。
下面参照图2来说明根据本实施例的三维测量装置的概要操作。分束器12和镜13集成在一起，并且以高速(例如，3,600r/min)围绕摄像机11的光轴15旋转。使用高速中空轴脉冲电机来驱动分束器12和镜13的集成组合。摄像机11并入在中空轴脉冲电机的中空部分内，由此使系统小型化。通过光轴15使得镜14反射并经图像形成的光16偏移。因此，该光与通过常规装置形成的光相似地形成圆形(螺旋形)轨迹。直接前进经过分束器12的光19形成表示圆形轨迹的中心的点(直线)。直接前进经过分束器12的光19通过滤色器13。彩色摄像机11对该光进行图像形成，以使得可以通过该光的颜色来容易地识别该光。换言之，如图3所示，被测点18被图像形成为基于圆形偏移的圆形(当移动很快时为螺旋形)轨迹P与表示二维位置(移动)的直线轨迹Q的组合。可以通过对图像进行颜色处理而容易地识别这两种轨迹。可以基于螺旋形轨迹P的卷绕方向来识别表示轨迹中心的直线轨迹Q的方向(稍后详细说明)。
当将脉冲电机用作所述电机来分析螺旋形轨迹时，脉冲电机在经图像形成的轨迹的起始点和结束点的旋转角是必需的。在脉冲电机的Z相位将计数器复位到零。接着，该计数器对脉冲进行计数。PC 60读取产生图像信号的垂直同步信号时的计数器输出，由此检测螺旋的描绘起始位置(方向)和描绘结束位置(方向)。检测到的值成为自动对螺旋进行分析所使用的信息。
图3是与中心线上的点对应的螺旋的相位图。可以基于螺旋形轨迹的卷绕方向来识别表示轨迹中心的直线轨迹Q的方向。换言之，当分束器12和镜14的旋转方向是逆时针方向时，记录图像上的螺旋形轨迹为顺时针旋转。因此，显然被测点18从图3中的左边(a)移到右边(b)。PC 60首先基于标记处理来识别表示轨迹中心的直线轨迹Q，并且基于对应的螺旋形轨迹P来测量被测点18的三维运动状态。在装置一次旋转的短时间内，可以假设被测点(示踪粒子)18基本上恒速运动。考虑到装置也按恒速旋转的事实，可以将与表示中心的直线轨迹Q上的各个交点(c到j)对应的螺旋形轨迹的相位确定为如图3所示。换言之，当图3中的表示中心的直线轨迹Q上的点从点a移到点b时，该点在螺旋形轨迹上按0、1、2、…、7、和(8)的方向移动。
图4是目标直线轨迹Q上的点与螺旋形轨迹P上的对应于轨迹Q上的此点的点之间(在对应相位方向上的点c与j之间)的距离的分布图。纵轴表示从中心线Q到轨迹P的距离，横轴表示中心线Q上的点。沿着目标直线轨迹P提取的轨迹变成图中的直线X。轨迹A和轨迹B变成图中的椭圆。因此，即使当许多轨迹重叠时，也可以有效地提取螺旋，并且可以分析三维运动状态。针对所有标记的中心点(中心直线)执行这些处理。
如上所示，因为根据本实施例的三维测量装置50使用分束器12，所以可以同时记录直线轨迹图像Q(被测点18的直接图像)以及常规圆形轨迹图像。此外，直线轨迹图像入射到的分束器12的表面装配有彩色膜13，由此对入射的光图像进行着色。从而，通过用PC 60对这些图像进行处理，可以分别地识别圆形轨迹图像P和直线轨迹图像Q。三维测量装置进一步包括基于摄像机11记录的圆形轨迹图像P和直线轨迹图像Q来计算三维位置的PC 60。
图5(a)是被测点的距离与轨迹图像之间的关系的说明图。首先，对被测点从点20移动到点21时被测点的距离与轨迹图像之间的关系进行说明。镜29按反射角β将来自被测点20的光26反射到分束器23。该光进一步从分束器23反射到摄像机24的光接收面25并且在点b成像。来自光轴P的光通过滤色器22，到达摄像机24的光接收面25，并且在点a成像。当被测点移动到点21时，被测点21的光27从镜29按反射角α反射到分束器23。该光进一步从分束器23反射到摄像机24的光接收面25，并且在点c成像。这里的重点在于反射角β和反射角α具有β＞α的关系，因此，当被测点与光接收面25之间的距离变长时(当被测点是点20时)，偏移量变小。当被测点与摄像机之间的距离变短时(当被测点是点21时)，偏移量变大。结果，当假设被测点不向左右方向移动时，在点a周围形成螺旋形轨迹的图像，如图5(a)中右下方所示。
图5(b)是镜位置与轨迹图像之间的关系的说明图。对与图5(a)中的组成部件相同的组成部件分配相同的标号。对镜从位置29移动到位置(29)时的镜位置与轨迹图像之间的关系进行说明。镜29按反射角β将来自被测点20的光26反射到分束器23。该光进一步从分束器23反射到摄像机24的光接收面25并且在点b成像。来自光轴P的光通过滤色器22，到达摄像机24的光接收面25，并且在点a成像。当镜移动到位置(29)时，被测点20的光27从位置(29)处的镜按反射角α反射到分束器23。该光进一步从分束器23反射到摄像机24的光接收面25，并且在点c成像。这里的重点在于反射角β和反射角α具有β＞α的关系，因此，当镜与分束器23之间的距离变长时(当镜在位置(29)时)，偏移量变大。当镜与分束器23之间的距离变短时(当镜在位置29时)，偏移量变小。如上所述，可以通过改变镜与分束器之间的距离来改变图像的偏移量。因此，可以根据目标的距离实现测量。换言之，可以通过改变镜29与分束器23之间的距离来改变图像的偏移量。因此，可以根据被测点20的距离实现测量。例如，当镜29固定于分束器23时，在被测点变远时偏移量变小并且无法测量。在这种情况下，可以通过增大镜29与分束器23之间的距离来增加偏移量，由此使得可以实现测量。
(示例)图6是由根据本发明的三维测量装置的测试单元进行图像形成的流体中的示踪粒子的像的图。从该图像中很明显可以清晰地识别各个示踪粒子的中心点(直线轨迹)和圆形轨迹，并且可以从存在于图像中心处的重叠轨迹像中容易地识别各个轨迹。
根据本发明的权利要求1和6，通过使用分束器，可以合成地记录常规的圆形轨迹图像和经着色的直线轨迹图像，从而使得可以指定许多重叠的圆形轨迹图像。因此，可以有效地分析三维图像。
根据权利要求2，因为图像形成单元记录经着色直线轨迹图像和圆形轨迹图像，所以可以根据直线轨迹图像计算被测点的移动距离和方向，并且根据圆形轨迹图像计算到被测点的距离。因此，可以根据计算结果获得被测点的三维位置，并且可以同时识别各个被测点。
根据权利要求3和7，根据图像形成单元记录的直线轨迹图像获得圆形轨迹图像的中心，由此提取与该中心对应的圆形轨迹图像。利用这种设置，即使当在图像中存在大量圆形轨迹时，也可以有效地执行分析。
根据权利要求4和8，因为可以改变镜与分束器之间的距离，所以可以基于被测点的距离来调节圆形轨迹图像的偏移量。
根据权利要求5和9，当旋转单元是脉冲电机时，计算单元计算脉冲电机在圆形轨迹图像的起始点和结束点的旋转角。因此，可以检测螺旋的绘制起始位置(方向)和绘制结束位置(方向)。检测到的信息可以用于对螺旋的自动分析。
权利要求
1.一种执行对被测点的三维测量的三维测量装置，所述三维测量装置包括图像形成单元，其可以检测至少两种颜色；分束器，其对从多个路径入射的光图像进行合成；镜，其使所述被测点的光图像的形成位置滑动预定的距离；着色单元，其对入射到所述分束器的一路径的光图像施加预定的颜色；旋转单元，其使所述分束器和所述镜按预定的旋转速度旋转；以及计算单元，其基于所述图像形成单元记录的光图像来计算所述被测点的三维位置。
2.根据权利要求1所述的三维测量装置，其中，所述计算单元从所述图像形成单元获得经过了所述着色单元的所述被测点的直线轨迹图像、以及来自所述旋转单元使其旋转的所述镜的圆形轨迹图像，由此计算所述被测点的移动方向以及到所述被测点的距离，并且由此测量所述被测点的三维位置和移动速度。
3.根据权利要求1或2所述的三维测量装置，其中，所述计算单元根据所述图像形成单元记录的所述直线轨迹图像来获得所述圆形轨迹图像的中心，并且提取与所述中心对应的圆形轨迹图像，由此使得可以从多个圆形轨迹图像中识别出特定的圆形轨迹图像。
4.根据权利要求1所述的三维测量装置，其中，所述镜与所述分束器之间的距离可以改变，以使得可以调节所述圆形轨迹图像的偏移量。
5.根据权利要求1所述的三维测量装置，其中，当所述旋转单元是基于脉冲的相位差而旋转的脉冲电机时，所述计算单元分别计算所述脉冲电机在所述圆形轨迹图像的起始点和结束点的旋转角，由此检测所述圆形轨迹图像的所述起始点的位置和所述结束点的位置。
6.一种对被测点进行三维测量的三维测量方法，所述方法包括图像形成单元，其可以检测至少两种颜色；分束器，其对从多个路径入射的光图像进行合成；镜，其使所述被测点的光图像的像聚焦位置滑动预定的距离；着色单元，其对入射到所述分束器的一路径的光图像施加预定的颜色；旋转单元，其使所述分束器和所述镜按预定的旋转速度旋转；以及计算单元，其基于所述图像形成单元记录的光图像来计算所述被测点的三维位置，其中，所述计算单元从所述图像形成单元获得经过了所述着色单元的所述被测点的直线轨迹图像、以及来自所述旋转单元使其旋转的所述镜的圆形轨迹图像，以计算所述被测点的移动方向和到所述被测点的距离，由此测量所述被测点的三维位置和移动速度。
7.根据权利要求6所述的三维测量方法，其中，所述计算单元根据所述图像形成单元记录的所述直线轨迹图像来获得所述圆形轨迹图像的中心，并且提取与所述中心对应的圆形轨迹图像，由此使得可以从多个圆形轨迹图像中识别出特定的圆形轨迹图像。
8.根据权利要求6所述的三维测量方法，其中，改变所述镜与所述分束器之间的距离以使得可以改变所述圆形轨迹图像的偏移量。
9.根据权利要求6所述的三维测量方法，其中，当所述旋转单元是基于脉冲的相位差而旋转的脉冲电机时，所述计算单元分别计算所述脉冲电机在所述圆形轨迹图像的起始点和结束点的旋转角，由此检测所述圆形轨迹图像的所述起始点的位置和所述结束点的位置。
全文摘要
一种三维测量装置，即使存在许多圆形轨迹图像其也能够通过同时捕捉被测点的圆形轨迹图像和直线轨迹图像来有效地分析三维图像。三维测量装置(50)包括由三基色CCD构成的3－CCD摄像机(图像形成单元)(11)；立方体分束器(12)，对经多个路径进入的光图像进行合成；镜(14)，使被测点(18)的光图像的位置偏移预定的距离；红色滤色器(着色单元)(13)，对进入分束器(12)的路径的光图像施加预定的颜色；未示出的电机，使分束器(12)和镜(14)沿箭头(17)所示的方向旋转；以及未示出的PC，基于摄像机(11)捕捉到的光图像来通过计算确定点(18)的三维位置。
文档编号G01S5/00GK1860345SQ200380110539
公开日2006年11月8日 申请日期2003年12月22日 优先权日2003年10月14日
发明者川末纪功仁, 大宅雄一郎 申请人:独立行政法人科学技术振兴机构
专业数控铣床产品供应商
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