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专利名称：三维图象计量系统的自动操作法的制作方法
技术领域：
本发明涉及用摄影测量方法的三维图象计量。
本发明应用于三维图象计量，但也能应用于其他光电系统。三维图象计量适用于从映像提取三维几何图形的和其他信息的所有领域。映像是通过标准成像系统或如成像雷达或者声纳等其他装置来获取的。典型的应用领域是在工程中从设计、研制、制造到质量控制的工业生产过程中进行的尺寸测量，甚至在如艺术和医学等领域中进行的尺寸测量。
发明的背景本发明的背景是关于在三维图象计量系统中迄今人工任务的自动化的操作法。
例如，今天的机器人是脱机程控的，这意味着用计算机模拟程序示教机器人，由于机器人手臂机械运动中的技术限制，在机器人手臂的程控位置和其实际位置之间有差别。这个差别能够用机器人校准系统测得，并且可以导出不同踝的修正多项式。由于使用这样的对模拟的修正，可以提高实际的机器人运动的准确度。在机器人的附近安装3个或4个CCD摄像机(CCD电荷耦合器件)，用于观测测量体积。这些摄像机探测安装在工具中心点上并与工具中心点有特定关系的可自动辨认靶。根据这些探测，校准过程被启动，并建立对于模拟的修正。
靶设计得易于自动探测和识别。例如，靶可设计成在黑底上有一同心环的白圈。围绕该同心环，有另一个作为标志区的同心环。在标志区中，10位靶标识被编码。中央圈在中间有一黑点以便于人工测量。黑和白是为得到最大对比度而选取的颜色。
因此，部分的本发明，即可自动辨认靶已经被使用。
为达到这个自动化目标，已经进行了大量尝试。迄今的所有尝试只得到部分结果，并/或不适合广泛的应用。
自动识别各个靶的一个解决途径是依靠靶的不同形式和形状。由各种几何形状，如圆、矩形和十字组成的靶被用于区分靶的二维图案。这个解决途径需要比较大的靶，且不考虑大量的不同图案。
另一个解决途径使用邻近圆形靶有附加的直线图案区的靶。该图案类似于典型的条形码。代码本质上不那样同靶结合起来，并需要比较多的空间。这些靶是所谓的“编码”靶，在当时被几个研究组研制。
另一个用“编码”靶的解决途径利用围绕靶的位图案。该图象是一种被设计成与靶旋转无关的二进制位图案。两个主要缺点对这些靶是共同的。当使用CCD摄像机时，在靶和代码之间它们有太小的距离。并且，它们只能使用由代码，即典型地像1,2,3这样的数字，提供的标志，但不使用字母数字标志。靶和代码之间的空间不足降低了靶的测量准确度。有几百个靶的靶群用这个解决途径是可以分辨的。所有代码只供使用与在靶标志区中被编码的标志相同的靶标志。
此外，靶群被某些系统用于识别一个别的靶群，并通过这个靶群识别该靶群的各个靶。这些技术依赖于能在图象中和/或在三维空间中被识别的一个靶群中的所有靶的特殊几何关系。
识别一个单元的其他途径是利用互相处于特殊的几何关系并从在图象内或甚至在三维空间内的其他靶分辨出该靶群的靶群。这些技术的缺点在于人们总是需要几个靶这一事实，以及该技术不能以合理的经济力量和空间要求供大量的不同靶群使用。
此外，上述途径还同颜色的使用相结合，以便增加可分辨靶的数目。
自动化的另一方面是确立通过其特殊的个别特征，如标志、颜色、形状所不能分辨的靶的对应。为克服这个问题，开发了两种基本技术。一种利用能导出几何状态、即所谓表极线的图象之间的几何关系。利用这种技术，能自动地确立大量靶之间的对应。一个类似的解决途径是多圈几何约束匹配，其中利用图象和图象之间的几何关系以及物体空间。在另一途径中，直接利用点的三维关系。两种技术只论及部分问题，因为它们要求图象的外表取向和/或相对取向必须是事先已知的。
通过利用表极几何以及使用点的三维关系，能够确立图象中对等点的对应。
这些自动识别各个靶的已知解决途径是相当局限的，并表现出以下方面的缺点1．靶不能以足够的准确度被测量(不是对所有技术)。
2．只数字标志同靶相关联，然而在许多应用中，要求字母数字标志。
3．靶群需要比有相关联标志区的一个靶大得多的空间。
4．在有大量靶的应用中，靶群不能从其他靶中充分分辨出来。
可自动识别的靶以前已基于想像中的三维图象计量系统被用胶片设计。它们未顾及到CCD传感器或其他数字成像系统的成像特性。
对应的确立不使用可自动识别的靶以确定图象的原始取向。对于一个完整的系统，它们不允许自动识别物体。
1．提供一个机制以便自动装载一个特定应用的所有相关数据。
2．提供最高的测量准确度、抗遮盖性和字母数字标志。
3．提供适配器的自动识别，与它们的空间位置知识无关。
总之，迄今已有的方法只论及部分问题。
发明的目的本发明的目的，部分地或总体上，是提供用图象计量的尺寸测量的部分和/或完全自动化。最重要的是如在自动生产设备中完全自动地进行三维计量的系统。在自动生产设备中，例如为切削、安装和移动，机器人或者其他加工装置要被控制。
本发明的其它目的是提供了三维图象计量和/或使用这样系统的其他应用中较高程度的或者甚至全部的自动化。
发明概要本发明适用于以下子任务-为了自动确定图象的外表取向探测靶。
-为了确定在几个图象中的对等点探测这些图象中的靶。
-在光电系统中从不同的视图探测靶以确立它们的关系。
-识别作为规定坐标系统参考的靶。
-识别测量适配器，以便识别特定适配器及其几何图形的和/或其他特征，这样的适配器的例子是-某些偏移和其他几何参数已知的各个靶。
-同它们参考的另一空间位置形成直线的2个或更多个靶。
-同1个或更多个其他空间位置有空间关系的3个或更多个靶。
其例子是由处在物体表面上的3个或更多个可见靶和3个或更多个半球构成的适配器。可见靶和其他位置处于已知的相对空间关系中。
-由同一个或更多个位置有关系的3个或更多个可见靶构成的适配器。可见靶和其他位置处于已知的相对空间关系中。实际例子是数字笔(DigiPen)，它是工业测量(Imetrics)系统的触模探头，或在TI2系统中的检测杆座上的检测杆和靶。
-检查表(LUT)本发明将是三维图象计量系统的部分未来改进。它对其他系统也能适用。它也将被用于工业制造设备。
发明的说明在单独基础上或如以各个技术的任何组合的当前实现中，本发明采用下列措施。
1．测量准确度可自动识别靶如此设计以使中心靶和标志区之间的距离足够大以便不降低探测中心靶的准确度。标志区用于识别靶，即这个区有二进制代码或其他代码。当中心靶被设计成提供最佳测量准确度，即在沿直径一般6个象素上成像时，上述距离被确定为至少等于中心靶的直径。
2．标志区的抗部分遮盖性在许多应用中，包括标志的部分区域可以被位于成像系统和标志区之间的其它物体所遮盖。使用代码中的冗余位技术，如围绕标志的边框的附加区、以及使用可自动识别靶方面的预先知识，能够被单独地或组合地使用来防止这种问题出现。
3．标志自由度为了克服必须将特定靶加到人们想要不同标志的特定点上的问题，使用靶标志和其实际标志之间的变换。带有标志“11”这样的一个可自动识别靶能被用作带有标志“A”的一个靶。例如，这能够利用检查表来完成。在检查表中，一个“用户”标志同靶的每个实际标志相联系。这个检查表可以是可用户定义的或者是固定的。并且，可以使用双重检查表，即由标志区提供的标志首先被变换成别的标志而后者被最终同被用于进一步处理的标志相联系的表。例如，在靶上的标志包含标志“11”。在靶上，对某个人可以用名称“A”来标识它，但在具体应用中该靶要被用作靶“X”。这有助于减少实际需要的可自动识别靶的数目以便满足大量的不同应用。
4．测量物体的标识在这里，一个或更多个可自动识靶的标志被用于识别一特定物体。例如，型号A的汽车外罩会有带有标志“K”的可自动识别靶，型号B的汽车外罩会有带有标志“Y”的可自动识别靶。可以使用一个或更多个标志。根据这个信息，同该特定物体有关的数据能够被自动地选择．使用这样一个物体标识作为安全保护装置(例如在加工中，但也当进行质量检查时)和/或装载同该特定物体有关的数据。
5．缺省项目对策一种用于同可自动识别靶联系的方法论。在这里，同一特定任务有关的数据(例如，参考位置的坐标，适配器的补偿、被进行的测量)被收集在“缺省项目”中。这可以是包含有关数据的一批文件、或对数据库的特定访问，或某些其他储存和访问相关数据的方法。
6．自动取向一种方法，其中，在测量系统的装置中，可自动识别靶被用于自动计算外表取向和/或一个或更多个摄像机/图象的相对取向。
一种方法，其中，在测量期间，可自动识别靶被用于自动计算一个或更多个摄像机/图象的外表取向以便计及固定可自动识别靶的物体和摄像机之间关系的最后变化和/或进行其他测量。
任何方法，其中，3个或更多个可自动识别靶被用于建立一特定的坐标系统。
在所有的这些方法中，至少3个可自动识别靶的三维坐标必须是已知的。
7．自动测量一些方法，其中，可自动识别靶被用于确立图象相对于同可自动识别靶有关的一个坐标系统(外表取向)或例如同一个或更多个摄像机/图象有关的某个任意坐标系统(相对取向)的几何关系，以便能建立在2个或更多个图象中的标准靶之间的对应。
使用至少3个可自动识别靶确定各个图象的外表取向。这些靶在某个三维坐标系统中的三维空间坐标在测量开始前已知，或在测量过程中被确定。
确定图象中的对等点。例如这可被用于计算这些图象的相对取向。
可自动识别靶和标准靶的组合。这个方法允许通过可自动识别靶和可能已位于图象中但未被识别的其他靶(即在一个图象中的一特定靶和在物体空间中它的原点和/或在另一图象中它的相应映像之间的关系不是已知的)来确立图象的空间几何关系，即它们的外表取向或者它们的相对取向；这个方法还允许利用这些图象的几何关系(即它们的外表取向和它们的相对取向)和/或利用它们在其中成像的图象的几何关系成为可计算的被识别靶的三维几何图形，来确立在不同图象中成像的对等靶之间的对应。
靶可以是反光靶，但也可以是能位于一个图象或一组图象中的物体的任何其他特性。
8．标度条用一个或更多个可自动识别靶识别一特定的标度条以便获得其被校准的一个距离或多个距离(如果多于2个的点被定位在标度条上)。下列要点是该方法的一部分1)识别该特定标度条，2)协助搜索在标度条上的其他靶，3)为了改进准确度和可靠性，利用在一个标度条上的若干已知距离。
它们可以被单独地或组合地应用。
9．用一个或更多个标志识别特定的适配器或物体。然后再依次使用单个或一组适配器。
一个或更多个标志被用于识别一特定物体。这样的一个物体可以是-具有或不具有某些给定特性如对取向来说的XYZ坐标的一单独的点。利用标志，一个点的三维空间坐标能够从数据库取出以便通过空间相似变换计算外表取向，计算一物体相对于某坐标系统的空间位置。
-用于识别一个具有其特性的适配器的单独的标志。例如，这些可以是，圆形靶的偏移，为减少双重矢量靶的矢量距离或隐匿点条。
-多点适配器，在这里，标志被用于探测可见靶和同这些靶有特殊几何关系的另一点或一些点之间的几何关系。
-特写标度条。
-特殊的触摸探头或如测量杆这样的其他装置或其他加工装置以及被标识的其他物体。
适配器是任何技术设备，在其中，一个或更多个在任何种类的适配器上的可识别靶是-识别特定适配器以导出该适配器的几何参数。
-识别特定适配器以从数据库或者其他储存装置检索其空间坐标。
-标识特定适配器以控制软件以便它执行一特定的测量时序或其他过程。
例
a)系统探测一双重矢量靶，并自动计算与2个光靶有关的机械点。
b)系统探测一特定的靶群，并命令机器人去抓取零件。
下面首先定义一些适配器，然后再规定具有这些适配器的可自动识别靶的使用。
单点适配器“单点适配器”是一种由一个光学可见靶，例如反光靶或LED(发光二极管)，和一个或更多个机械点，例如柄的位置、球心所组成的装置，其中光和机械靶的关系是已知的并通常是固定的。
典型的例子是-“圆形靶”，它由一个座落在一个具有配装到镗孔内的柄的机械部件上的光靶构成。光靶在柄轴的中央，但离机械界面有一定距离。
-结合到一部分球中的靶，如像结合到泰勒·霍布森(TaylarHobson)球中的靶。
可自动识别靶被用于标识一单独的“单点适配器”，并从数据库中提取某些一般几何特性。这样的信息可以是光靶和一个或多个机械点的偏移。这允许在一个测量任务中使用有各种偏移的适配器，而不要求用户标识适配器，并且不依赖于将一带有特定偏移的特定适配器加到特定的位置上。
可自动识别靶被用于探测“单点适配器”的三维参考坐标，即光靶或参考位置的三维参考坐标。
“2点适配器”是一种由2个或更多的光学可见靶和一个或更多个机械的或虚拟的点组成的装置。“2点适配器”和“多点适配器”之间的差别在于“2点适配器”不允许没有对该“2点适配器”的空间位置的附加了解就建立光学可见靶和机械的或虚拟的点之间的三维关系。在几何意义上，“2点适配器”的点不能被用于确定6个参数的三维空间相似变换。通常，用一个“2点适配器”计算的点在有2个光靶的三维直线上。
“2点适配器“的典型例子是“双重矢量靶”。这个适配器一般由2个光学可见靶组成。感兴趣的机械的或虚拟的点在有2个光学可见靶的一空间直线上，其离一个或2个靶的(空间)距离已知，或者，它可以在2个光学可见靶的几何中心。
一个或更多的可自动识别靶被用于识别一特定的“2点适配器”以便-识别适配器和获得其几何参数和/或对于一个或更多个被计算的点的命名约定。
-识别适配器以检索一个或更多个光靶的空间坐标和/或一个或更多个适配器的参考位置。
-识别适配器以控制特定的软件功能，或者指示某些系统动作。
“多点适配器”是一种由与一个物体有几何关系的3个或更多个光学可见靶和/或一个或更多个机械的或虚拟的点组成的装置。例如，“多点适配器”能够被用于确定该适配器或与该适配器物理上连接的一个物体的空间位置或取向。此外，它还可以用于导出在该适配器上或与该适配器物理上连接的另一物体上的一个或更多个点的空间位置。
“多点适配器”的例子是-V形板一种由3个光靶和3个半球组成的装置。
-机器人校准架为校准机器人装到机器人上的装置。
-触摸探头，例如数字笔(DigiPen)和其他由为确定该探头的三维空间坐标连接到CMM(计算机生产监督)探测仪上的3个或更多个光靶组成的装置。
-工具架在生产制造过程中用于安置零件的工具上的任何装置。适配器能够被制造来安置工具架。
-工具座或工具(钻孔器、夹钳、切削器以及其他端检验器)这些可以在生产设备，如机器人或机器人臂、计算机数字控制(CNC)机器上，但也在手持装置上。
可自动识别靶用于-识别特定的适配器以导出其几何特征和/或检索其空间参考坐标。
-识别特定的适配器以启动特定的动作或被执行的计算，例如自动计算不可见靶。
注释-被装在工具孔或其他地方的一些靶中，有一个能够被计算机程序自动识别，标记和测量的靶。
-为自动确定一个或更多个摄像机的取向以便定向摄像机，自动测量靶。
-修改取向。
-有3个或4个靶的工具自动定向摄像机。
-装置有3个或更多个点，这些点是可以自动识别的并被用于导出1．它们在空间上附于其上的装置的位置和方位角。
2．物理上与这些点在空间上连接的一个或更多个其他点的位置。
执行自动定向和自动计算目标点的近似值的工具。
通过指示它们只在一个图象中的标志来标志点的方法。
定位其他装置，如机器人、计算机生产监督(CMM)系统，计算机数字控制(CNC)机器的编码靶。
权利要求
1．利用可自动识别靶的三维图象计量方法，其特征为，确定包括靶和/或图案或靶群的图象的外表取向。
2．如权利要求1中所述的方法，其特征在于，探测在几个图象中的可自动识别靶，并确立在这些图象中的对等点。
3．如权利要求1-2的任何一个中所述的方法，其特征为，从不同的视图中探测可自动识别靶，并建立它们的相对关系。
4．如权利要求1-3的任何一个中所述的方法，其特征为，识别规定为确立一坐标系统的参考的可自动识别靶。
5．如权利要求1-4的任何一个中所述的方法，其特征为，识别一些测量适配器，以便识别具有其特征的一个特定适配器。
6．如权利要求1-5的任何一个中所述的包括中心靶和标志区的方法，其特征为，在离开中心靶的距离上加标志区，该距离为充分大以便不降低能探测该中心靶的准确度。
7．如权利要求6所述的方法，其特征为，当设计成最佳测量准确度时，该距离被设在至少等于中心靶直径的一个数值上。
8．如权利要求7中所述的方法，其特征为，该距离确定为中心靶被成像在沿直径一般6个象素上的结果。
9．如权利要求1-8的任何一个中所述的方法，其特征为，建立标志区部分遮盖的抗除性，例如，利用代码中的冗余位技术，如围绕标志的边框的附加区，或可自动识别靶方面的预先知识能够被单独地或组合地使用。
10．如权利要求1-9的任何一个中所述的方法，其特征为，进行靶标志和其物理标志之间的变换以便建立将特定的靶加到不同标志的特定点上的标志自由度。
11．如在权利要求1-10的任何一个中所述的方法，其特征为，利用一个或更多个可自动识别靶的标志以识别一特定物体。
12．如在权利要求1-11的任何一个中所述的方法，其特征为，数据，例如从属于一特定任务的参考位置的坐标、对于适配器的补偿，被进行的测量被收集在一个缺省项目中。
13．如在权利要求1-12的任何一个中所述的至少3个可自动识别靶的三维坐标是已知的方法，其特征为，使用一个程序建立自动定向，其中，在测量系统的装置中，可自动识别靶被用于自动计算一个或更多个摄像机/图象的外表取向和/或相对取向。
14．如权利要求1-13的任何一个中所述的方法，其特征为，使用一个程序建立自动定向，其中，在测量期间，可自动识别靶被用于自动计算一个或更多个摄像机/图象的外表取向以便计及固定可自动识别靶的物体和摄像机之间关系的最后变化和/或进行其他测量。
15．如权利要求1-14的任何一个中所述的方法，其特征为，利用一个程序建立自动定向，其中，3个或更多个可自动识别靶被用于建立一特定的坐标系统。
16．如权利要求1-15的任何一个中所述的方法，其特征为，自动测量通过一些程序被实现，其中，可自动识别靶被用于确立图象相对于同可自动识别靶有关的一个坐标系统或例如同一个或更多个摄像机/图象有关的某个任意坐标系统的几何关系，以便能够建立在2个或更多个图象中的标准靶之间的对应。
17．如权利要求1-16的任何一个中所述的方法，其特征为，自动测量通过利用至少3个可自动识别靶确定各个图象的外表取向来实现，可自动识别靶在某个三维坐标系统中的三维空间坐标在测量开始前已知，或在测量过程中被确定。
18．如权利要求1-17的任何一个中所述的方法，其特征为，自动测量通过确定图象中的对等点来实现。
19．如权利要求1-18的任何一个中所述的方法，其特征为，通过可自动识别靶和可能已位于图象中但未被识别的其他靶来确立图象的空间几何关系，以及利用这些图象的几何关系和/或利用它们在其中被成像的图象的几何关系成为可计算的被识别靶的三维几何图形来确立在不同图象中成像的对等靶之间的对应，来实现自动测量。
20．如权利要求1-19的任何一个中所述的方法，其特征为，识别一特定的标度条以便获得其被校准的一个距离或多个距离。
21．如权利要求1-20的任何一个中所述的方法，其特征为，将一个或更多个可自动识别靶加在任何种类的适配器上。
22．如权利要求1-21的任何一个中所述的方法，其特征为，识别特定的适配器以导出该适配器的几何参数。
23．如权利要求1-22的任何一个中所述的方法，其特征为，识别特定适配器以从数据库或其他储存装置检索其空间坐标。
24．如权利要求1-23的任何一个中所述的方法，其特征为，识别特定的适配器以控制软件以便它执行一特定的测量时序或某些其他的过程。
25．利用三维图象计量的可自动识别靶的装置，其特征为，一种关于包括靶和/或图案或靶群的图象的外表取向的测定器具。
26．如权利要求25中所述的装置，其特征为，包括在权利要求1-24的任何一个中所述的特点中的任何一些特点或组合。
全文摘要
通过确定图象的外表取向,利用可自动识别靶的三维图象计量方法。图象包括靶和/或图案或者靶群。
文档编号G01B11/00GK1212064SQ97192418
公开日1999年3月24日 申请日期1997年2月17日 优先权日1996年2月20日
发明者H·A·贝耶尔 申请人:伊梅特里克公司