專利名稱：目標(biāo)的三維觀測(cè)方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過光學(xué)檢取(pick-up)、投影圖案和三角測(cè)量計(jì)算對(duì)目標(biāo)進(jìn)行三維觀測(cè)的方法，其中，作圖案投影的裝置和作圖象檢取的裝置是相互分別構(gòu)造的并能夠被相互獨(dú)立地定位以進(jìn)行觀測(cè)。
本發(fā)明還涉及這種方法的裝置。
為了進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)光學(xué)原理工作的方法具有大量的好處。能夠迅速而非接觸地進(jìn)行觀測(cè)?，F(xiàn)有技術(shù)包括電子圖象轉(zhuǎn)換器(例如，CCD陣列)，在對(duì)它的輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化之后，能夠直接對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)或估算。
用于對(duì)空間表面的表示和三維光學(xué)觀測(cè)的方法和裝置是已知的。它們根據(jù)三角測(cè)量方法，其中，把點(diǎn)、線或任何其他圖案以特定的角度投影在被觀測(cè)表面上，并且從一個(gè)不同于投影角的觀測(cè)角用光學(xué)系統(tǒng)和圖象轉(zhuǎn)換器來檢取投影圖案。投影方向與檢取方向之間的已知幾何關(guān)系允許對(duì)該表面的內(nèi)插點(diǎn)進(jìn)行三維計(jì)算。
例如，如果把規(guī)則的線狀圖案投影在具有空間廣度的目標(biāo)上，當(dāng)觀測(cè)方向與投影方向不同時(shí)，由于目標(biāo)的表面形狀而產(chǎn)生一個(gè)畸變的線狀圖案。如果用一個(gè)合適的光學(xué)系統(tǒng)從這個(gè)觀測(cè)方向使這個(gè)目標(biāo)成象在CCD陣列上，并且如果圖象信號(hào)被數(shù)字化并可提供給一個(gè)數(shù)據(jù)處理單元，則可以對(duì)圖象中不同位置處的線段加以識(shí)別，而當(dāng)光束路徑已知，并且考慮投影線狀圖案的幾何結(jié)構(gòu)時(shí)，可以通過三角測(cè)量來計(jì)算3D坐標(biāo)。
當(dāng)采取不同的檢取方向?qū)讉€(gè)單個(gè)圖象進(jìn)行檢取時(shí)，從現(xiàn)有技術(shù)已知，通過所謂的“匹配算法”，利用相應(yīng)表面部分的3D坐標(biāo)，可以把有關(guān)三維表面的所獲部分?jǐn)?shù)據(jù)組合成總體數(shù)據(jù)。
例如，對(duì)于內(nèi)窺鏡檢查，現(xiàn)在需要a)采用單獨(dú)的圖案投影單元和圖象檢取單元，采用它們相對(duì)于被觀測(cè)表面自由可選擇的對(duì)準(zhǔn)。為了獲得與三角測(cè)量計(jì)算相關(guān)的數(shù)據(jù)，兩個(gè)單元之間的對(duì)準(zhǔn)不得低于最低限度；b)當(dāng)對(duì)單個(gè)圖象的序列進(jìn)行檢取時(shí)，在檢取過程期間，為了簡化處理，例如，為了通過對(duì)附加圖象的檢取能夠觀測(cè)進(jìn)一步的表面區(qū)域，相互獨(dú)立地改變兩個(gè)單元相對(duì)于目標(biāo)的位置和對(duì)準(zhǔn)。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種引言中所描述類型的目標(biāo)的三維觀測(cè)方法和裝置，其中能夠確定檢取單元和投影單元彼此之間相對(duì)位置和取向，在一個(gè)以上圖象的檢取是有益的情況中，在檢取過程期間能夠跟蹤兩個(gè)單元彼此之間相對(duì)獨(dú)立移動(dòng)。為了三角測(cè)量計(jì)算，對(duì)于各個(gè)單個(gè)圖象則必須考慮到圖象檢取與圖案投影之間所確定的幾何相關(guān)關(guān)系。
相對(duì)于該方法，本發(fā)明的目的可以達(dá)到，其中利用a)平面電子圖象轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行檢取過程；b)光束源和合適的光學(xué)裝置，以不同于檢取方向的角度將圖案投影在被觀測(cè)目標(biāo)上；c)合適的單元，對(duì)圖象轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化并把這些數(shù)據(jù)提供給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；d)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，利用合適的電路和/或算法，通過三角測(cè)量計(jì)算從單個(gè)圖象的圖象數(shù)據(jù)能夠確定被觀測(cè)目標(biāo)的表面上點(diǎn)的3D坐標(biāo)；以能夠確定檢取單元與投影單元彼此之間相對(duì)位置和對(duì)準(zhǔn)的這樣方式提供進(jìn)一步的裝置和/或以能夠確定檢取單元與投影單元彼此之間相對(duì)位置和對(duì)準(zhǔn)的這樣方法構(gòu)成所用的方法和/或裝置。如果對(duì)于單個(gè)圖象，檢取單元與投影單元彼此之間相對(duì)的位置和對(duì)準(zhǔn)是已知的，那么，通過三角測(cè)量計(jì)算以已知的方式能夠確定表面上若干個(gè)點(diǎn)的3D坐標(biāo)。
為此，根據(jù)本發(fā)明為了測(cè)量檢取單元與投影單元彼此之間相對(duì)的位置和對(duì)準(zhǔn)采用附加裝置是有利的。
根據(jù)本發(fā)明，這最好是能夠直接和間接地、與測(cè)量裝置接觸或連接地和非接觸地(例如以光學(xué)方式)進(jìn)行。
如果現(xiàn)在除了從單個(gè)圖象獲取的數(shù)據(jù)外還必須確定有關(guān)目標(biāo)的附加數(shù)據(jù)，檢取單元必須能夠?qū)蝹€(gè)圖象的序列進(jìn)行檢取。對(duì)于本發(fā)明的目標(biāo)，在檢取過程期間使投影單元和檢取單元作不同的移動(dòng)，根據(jù)本發(fā)明，最好是必須這樣形成裝置和/或方法，即對(duì)于接下來的圖象也能夠確定檢取單元與投影單元彼此之間相對(duì)的幾何排列。
根據(jù)本發(fā)明最好能夠保證在進(jìn)行附加圖象檢取時(shí)也能對(duì)上述測(cè)量裝置進(jìn)行評(píng)價(jià)，并以所述的方式在三角測(cè)量計(jì)算中計(jì)入測(cè)量結(jié)果。
在單個(gè)圖象序列的情況中，這樣對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢取，即由單個(gè)圖象所確定的3D坐標(biāo)描述大量的相應(yīng)表面部分，如上所述通過現(xiàn)有技術(shù)中所稱的“匹配算法”能夠?qū)⒏鱾€(gè)3D數(shù)據(jù)組合。
如果單個(gè)圖象的檢取是快速接連地發(fā)生的，那么，通過對(duì)兩個(gè)單元作適當(dāng)處置可以假設(shè)，首先，相應(yīng)表面部分的數(shù)目是足夠多，其次，同以前的圖象檢取相比，檢取單元與投影單元直接相互相對(duì)的幾何相關(guān)關(guān)系僅作適中變化。
因此，如果兩個(gè)單元的相關(guān)關(guān)系是已知的，例如在第一次檢取的情況中，以及如果能夠計(jì)算描述表面的大量的3D坐標(biāo)，那么，在下列組成中下一次檢取所包含的數(shù)據(jù)是不同的a)能夠在三維空間中以線性方式的偏移對(duì)相應(yīng)表面部分的3D坐標(biāo)進(jìn)行成象；b)能夠以相對(duì)于三維空間旋轉(zhuǎn)偏移對(duì)相應(yīng)表面部分的3D坐標(biāo)進(jìn)行成象；c)能夠以三維空間中直線方式相互相對(duì)地改變檢取單元和投影單元彼此之間相對(duì)的相對(duì)位置；d)能夠以相對(duì)于三維空間的旋轉(zhuǎn)改變檢取單元和投影單元彼此之間相對(duì)的相對(duì)位置。
在下文中，為了統(tǒng)一描述，也將這些變化的可能性稱為“自由度”在現(xiàn)有技術(shù)中，在圖形數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域中，匹配算法是已知的，該算法從3D坐標(biāo)的不同數(shù)據(jù)集合中形成將被指定為相應(yīng)表面部分的這些數(shù)據(jù)割集(cut set)以及改變并優(yōu)選以前列出的可能變化a)和b)，從而使兩個(gè)數(shù)據(jù)集合的各個(gè)3D數(shù)據(jù)的割集相互最佳擬合，計(jì)入相應(yīng)的位移和旋轉(zhuǎn)。這一條件是指以前列出的變化c)和d)是已知的。
對(duì)于數(shù)字?jǐn)?shù)學(xué)，系統(tǒng)地改變有限個(gè)數(shù)的自由度并計(jì)入一個(gè)或多個(gè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)使它們最佳化的算法是已知的。然而，有系統(tǒng)偏差，計(jì)算的復(fù)雜性隨自由度的增加而指數(shù)增大。
從仿生學(xué)遞歸步進(jìn)方法是已知的，與術(shù)語“漸進(jìn)策略(evolution strategy)”相結(jié)合，在待估算的大量數(shù)據(jù)基本相似的條件下通過自由度的隨機(jī)變化和各個(gè)最佳變量的逐步選擇，該遞歸步進(jìn)方法會(huì)驚人地快速向最佳解逼近。
在這種情況中，根據(jù)本發(fā)明，為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的采用擴(kuò)展的匹配算法是有利的，以致于第一，在遞歸數(shù)字過程中，首先，通過以前所述的自由度c)和d)的隨機(jī)變化重復(fù)地形成所謂的“子孫(child)”變量，第二，對(duì)于每個(gè)子孫變量，在以已知的方式，考慮到已作出的假設(shè)，通過三角測(cè)量從自由度c)和d)的圖象數(shù)據(jù)計(jì)算3D數(shù)據(jù)集合，第三，對(duì)于每個(gè)子孫變量，在以已知方式從3D坐標(biāo)的不同數(shù)據(jù)集合中的匹配計(jì)算中，能夠形成由被分配給匹配表面部分的這些數(shù)據(jù)組成的割集，這樣改變和優(yōu)化以前列出的自由度a)和b)，使得由兩個(gè)數(shù)據(jù)集合的各個(gè)3D數(shù)據(jù)形成的割集能夠進(jìn)行一個(gè)到另一個(gè)的變換，對(duì)相對(duì)于自由度a)和b)分別選擇的幾何變化作出最佳考慮。
第四，從子孫變量，在漸進(jìn)的意義上，從描述同一表面部分的兩個(gè)數(shù)據(jù)集合中選擇一個(gè)，它具有相對(duì)于數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系的最大可獲得質(zhì)量，第五，按照所述的漸進(jìn)策略，從已作出的假設(shè)出發(fā)，對(duì)于以前所選最好子孫變量的自由度c)和d)，再次降低對(duì)自由度c)和d)的限制，在不同的變量中，關(guān)于再次隨機(jī)改變下一代新子孫，以及根據(jù)上述五點(diǎn)-第一至第五的遞歸過程，直至自由度c)和d)的變化極限和相對(duì)于每一輪通過中所獲最高質(zhì)量的發(fā)生率之間的差別變得足夠小為止。
結(jié)果，所需的全部數(shù)據(jù)已知具有足夠高的準(zhǔn)確度。
根據(jù)本發(fā)明，使形成的投影圖案的裝置和檢取圖象的裝置在第一單個(gè)圖象檢取期間將它們牢固地連接在一起并處于限定的位置和取向上，這是有利的。在進(jìn)一步的圖象檢取過程中，可以松開連接，由此允許它們作相互獨(dú)立移動(dòng)。然后，利用上述的擴(kuò)展匹配算法能夠?yàn)槊恳淮涡聢D象檢取計(jì)算目標(biāo)的另外的三維觀測(cè)值并按照如上所述將其組合為總體數(shù)據(jù)。
另外，根據(jù)本發(fā)明，測(cè)量投影單元與檢取單元彼此之間相對(duì)的幾何排列是有利的，其中將所用的圖案既投影在目標(biāo)上又投影在圖象檢取單元上，在與圖象檢取單元牢固連接的限定表面上產(chǎn)生的圖案由圖象轉(zhuǎn)換器的表面進(jìn)行檢取。在這個(gè)意義上，圖象轉(zhuǎn)換器能夠用其廣視場(chǎng)的一部分檢取目標(biāo)而用另一部分檢取投影在圖象檢取單元自身上的圖案。
在對(duì)圖象數(shù)據(jù)進(jìn)行估算時(shí)，根據(jù)本發(fā)明通過三角測(cè)量從投影在圖象檢取單元的表面(例如為平面和無光澤屏幕的形式)上的圖象的畸變中首先計(jì)算兩個(gè)單元彼此之間相對(duì)的幾何排列，然后考慮到兩個(gè)單元彼此之間相對(duì)的相關(guān)關(guān)系，以上述方式在空間范圍中觀測(cè)目標(biāo)是有利的。
從本申請(qǐng)人于1996年12月9日提交的德國專利申請(qǐng)“提高目標(biāo)三維觀測(cè)的顯著性的方法”中已知一種方法，其中，為了避免三角測(cè)量計(jì)算中的偏差將編碼圖案投影在目標(biāo)上。
根據(jù)本發(fā)明，采用這樣的編碼圖案確定投影單元與檢取單元彼此之間相對(duì)的相關(guān)性是特別有利的。
本申請(qǐng)人在德國專利申請(qǐng)196,36354.3中揭示了一種方法和裝置，其中利用隨圖象轉(zhuǎn)換器的圖象刷新率同步地設(shè)定的光學(xué)裝置，能夠?qū)馐窂竭M(jìn)行切換，交替地變?yōu)槊舾谢虿幻舾小?br> 根據(jù)本發(fā)明，對(duì)檢取單元的觀測(cè)方向進(jìn)行切換是特別有利的，在這個(gè)意義上，例如，通過兩個(gè)在區(qū)域上工作的并被安排在例如分束器的兩個(gè)光軸上的LCD單元，隨圖象轉(zhuǎn)換器的圖象刷新率，交替地在光學(xué)透明與不透明之間變化。其優(yōu)點(diǎn)在于，為了確定投影單元相對(duì)于檢取單元的幾何關(guān)系，圖象轉(zhuǎn)換器的視場(chǎng)以及因此對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成象時(shí)的分辨率不必被減小。
根據(jù)本發(fā)明，在投影單元上另外安排把例如不同圖案投影在圖象檢取單元上的進(jìn)一步的光學(xué)裝置有利的。
作為與檢取單元牢固耦合的上述表面的一種替代，根據(jù)本發(fā)明，最好能夠把圖案投影在具有已知空間廣度的分別安排的表面上，以確定檢取單元與投影單元彼此之間相對(duì)的關(guān)系，以及成象在檢取單元的圖象轉(zhuǎn)換器上。
較佳地，根據(jù)本發(fā)明，能夠安排第二個(gè)檢取單元，以確定檢取單元與投影單元彼此之間相對(duì)的關(guān)系。
本發(fā)明中所描述的方法和裝置的所有結(jié)構(gòu)能夠以本發(fā)明的多種不同途徑相互組合是特別有利的。
通過這里所述的特征，引言中所描述類型的目標(biāo)三維觀測(cè)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的目的a)采用至少一個(gè)廣視場(chǎng)的電子圖象轉(zhuǎn)換器，它采用適合于對(duì)圖象進(jìn)行檢取的光學(xué)系統(tǒng)；b)采用至少一個(gè)裝置，該裝置影響上述至少一個(gè)圖象轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)的數(shù)字化并使這些數(shù)據(jù)提供給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；
c)采用至少一個(gè)裝置，該裝置允許進(jìn)行圖案的投影；d)對(duì)圖案進(jìn)行投影的裝置和對(duì)圖象進(jìn)行檢取的裝置是相互獨(dú)立分別構(gòu)造的；e)利用合適電路和/或算法的至少一個(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)適合于按照三角測(cè)量方法計(jì)算3D坐標(biāo)；f)至少一個(gè)裝置適合于確定投影單元與檢取單元之間的幾何結(jié)合。
在根據(jù)本發(fā)明裝置的特別有利的實(shí)施例中，圖象檢取裝置適合于對(duì)至少兩個(gè)連續(xù)圖象進(jìn)行檢取。
根據(jù)本發(fā)明裝置的特別有利的實(shí)施例提供了能夠存儲(chǔ)來自至少兩個(gè)單個(gè)圖象的數(shù)據(jù)的裝置。
根據(jù)本發(fā)明裝置的特別有利的實(shí)施例提供了對(duì)至少兩個(gè)單個(gè)圖象的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并能夠利用合適的電路和/或算法將所述數(shù)據(jù)組合起來的裝置。
從以下結(jié)合附圖(

圖1、2、3和4)給出的對(duì)較佳實(shí)施例的描述中，本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)、特征和可能的應(yīng)用將更加明顯，其中圖1示意性地示出投影單元與檢取單元相互分開的檢取裝置的一個(gè)實(shí)施例，在這種情況中，為了在相對(duì)于投影和檢取單元的限定幾何條件下檢取第一圖象，借助于定位銷將投影和檢取單元耦合在一起。
圖2示出圖1所示的同一裝置，然而，為了執(zhí)行進(jìn)一步的檢取，未將它們耦合在一起。
圖3示意性地示出投影單元與檢取單元相互分開的檢取裝置的另一個(gè)實(shí)施例，其特征在于，同一個(gè)圖案經(jīng)投影單元的第二光束路徑另外直接投影在檢取單元的無光澤屏幕上，這是為了連續(xù)計(jì)算它們彼此之間相對(duì)的幾何狀況。
圖4通過舉例的方式示出編碼圖案的實(shí)施例。
不用說，為了簡化對(duì)裝置顯要部件的描述，在圖1、2和3所示的實(shí)施例中僅僅示意性地示出了投影和檢取裝置。此外，為了簡化描述，對(duì)裝置中屬于現(xiàn)有技術(shù)的部件的實(shí)施例，如部件的連接或緊固的特定實(shí)施例的詳細(xì)描述已經(jīng)被分散。
在圖1的實(shí)施例中，與投影單元的底座框架(2.3)牢固連接的有以下光束源(2.7)、光學(xué)裝置(2.4和2.6)和圖案載體(2.5)。在這里所示的實(shí)施例中，光學(xué)裝置是指能夠照射目標(biāo)表面的光束源(2.7)、聚光器(2.6)和能夠在其上設(shè)置圖案(刻蝕或者以載物片的形式)的圖案載體。為了衛(wèi)生方面的原因(為了滅菌起見)，載體(2.2)與底座框架(2.3)是可拆分式連接。載體(2.2)與底座框架(2.3)的連接是這樣的，即在改變載體(2.2)后它準(zhǔn)確地重新回到其預(yù)定幾何位置(無需調(diào)節(jié))。位于圖案載體(2.5)上的圖案通過光束偏轉(zhuǎn)器(2.1)被投影在目標(biāo)(1.1)上，進(jìn)行檢取。為了獲得3D計(jì)算的相關(guān)數(shù)據(jù)，投影的線狀圖案以橫穿三角測(cè)量角所固定的平面放置。
與檢取單元的底座框架(3.3)牢固連接的有以下光學(xué)裝置(3.4)、電子圖象轉(zhuǎn)換器(3.5)和定位銷(3.10)。為了衛(wèi)生方面的原因(為了滅菌起見)，載體(3.2)與底座框架(3.3)是可拆分式連接。載體(3.2)與底座框架(3.3)的連接是這樣的，即在改變載體(3.2)后它準(zhǔn)確地重新回到其預(yù)定幾何位置(無需調(diào)節(jié))。電子圖象轉(zhuǎn)換器(3.5)是CCD陣列的形式，經(jīng)電子連接(3.9)與控制單元(3.6)、A/D轉(zhuǎn)換器(3.7)和數(shù)據(jù)處理單元(3.8)連接。被目標(biāo)(1.1)反射的光束通過光學(xué)裝置(3.4)(在本情況中為物鏡)被成象在圖象轉(zhuǎn)換器(3.5)上。
為了執(zhí)行第一次檢取，借助于兩個(gè)定位銷(3.10)將投影和檢取單元置于相互之間的限定位置上。由此已知的三角測(cè)量角度允許對(duì)被檢取圖象的3D坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。
圖2示出同一投影和檢取單元，然而，在執(zhí)行對(duì)同一目標(biāo)一系列檢取圖象的第一次檢取之后，處于未耦合的狀態(tài)中?，F(xiàn)在，能夠?qū)δ繕?biāo)的另外區(qū)域的進(jìn)一步圖象和/或以不同的觀測(cè)方向進(jìn)行檢取。由于檢取頻率高，例如在所示的實(shí)施例中為50Hz，其結(jié)果，在任何情況下，可以假設(shè)圖象重疊的程度足夠高，這就允許通過合適的匹配算法和數(shù)字方法對(duì)投影與檢取單元彼此之間相對(duì)位置以及相對(duì)于目標(biāo)的位置進(jìn)行計(jì)算，它與以前的各次圖象檢取相比已經(jīng)發(fā)生變化，因此，此外例如還允許對(duì)相關(guān)的各次三角測(cè)量角度進(jìn)行計(jì)算。這就使得確定目標(biāo)的3D坐標(biāo)稱為可能，而采用一次圖象檢取一直不能確定它們。
圖3示出一個(gè)實(shí)施例，其中通過利用第二光束路徑(非侵入地采用在裝置部件外側(cè)引導(dǎo))把同一圖案從投影單元投影到檢取單元，在每一次圖象檢取時(shí)投影單元與檢取單元之間的相互相對(duì)位置是已知的。采用這一實(shí)施例，通過分束器(2.8)時(shí)圖案偏轉(zhuǎn)90°并通過位于投影單元上的具有發(fā)散光束路徑的透鏡(2.9)投影到安排在檢取單元上的無光澤屏幕(3.12)上。通過光束偏轉(zhuǎn)器(3.11)使一部分圖案所產(chǎn)生的圖象偏轉(zhuǎn)90°，進(jìn)入檢取單元的載體的光束路徑中，從而將其成象在電子圖象轉(zhuǎn)換器(3.5)的半個(gè)廣視場(chǎng)上。在數(shù)據(jù)處理單元(3.8)中通過合適的數(shù)字方法對(duì)圖象的顯著圖案部分的估算，對(duì)于每一次圖象檢取，投影與檢取單元的相對(duì)位置是已知的。采用這一實(shí)施例，同以上所述的情況相比，特別是對(duì)復(fù)雜目標(biāo)，能夠大大提高3D坐標(biāo)所獲得的準(zhǔn)確度，通過對(duì)大量的圖象檢取的估算僅能計(jì)算目標(biāo)的3D坐標(biāo)。
圖4通過舉例的方式示出圖案的一個(gè)實(shí)施例，由于每個(gè)同心要素(編碼)的結(jié)構(gòu)不同，通過它能夠避免三角測(cè)量計(jì)算中的偏差。
本發(fā)明的特別有益的應(yīng)用是在無損傷醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中。對(duì)于例如人體器官的光學(xué)三維確定，例如通過腹壁引入載體(2.3)和載體(3.2)的前端部分，通過激勵(lì)附圖中未示出的而在數(shù)據(jù)處理單元(3.8)的范圍內(nèi)能夠提供的元件開始進(jìn)行檢取過程，其記錄過程期間可以移動(dòng)投影和檢取單元，使得目標(biāo)(1.1)的所有相關(guān)表面區(qū)域都逐步地被成象在圖象轉(zhuǎn)換器(3.5)上以及還通過線狀圖案的投影均等地確定它們。通過對(duì)上述激勵(lì)元件的再次激勵(lì)終止檢取過程。
在一系列被檢取的單個(gè)圖象數(shù)據(jù)中，現(xiàn)在存在因目標(biāo)(1.1)的表面形狀引起的畸變的線狀圖案的圖象。從線狀圖案的畸變中，具有光束路徑的知識(shí)并考慮到相應(yīng)單個(gè)圖象檢取的投影線狀圖案的幾何結(jié)構(gòu)，能夠從大量的內(nèi)插點(diǎn)計(jì)算3D坐標(biāo)。從指定為單個(gè)圖象的3D坐標(biāo)的序列中，則能夠以上述的方式對(duì)3D坐標(biāo)進(jìn)行組合，結(jié)果，盡管檢取單元的投影面積和視場(chǎng)的限制，但是可以提供被檢查的整個(gè)表面的3D坐標(biāo)。在這種情況中，由于欠切割(undercut)，數(shù)據(jù)中間隙不再存在。通過對(duì)各個(gè)中間結(jié)果的在線計(jì)算和顯示，此外，用戶能夠使檢取裝置的手工引導(dǎo)達(dá)到最佳。
對(duì)這里所述的實(shí)施例加以區(qū)別，尤其是a)在投影和檢取單元中不采用移動(dòng)部件；b)光學(xué)組件具有簡單結(jié)構(gòu)；c)除了載體(2.2和3.2)、底座框架(2.3和3.3)和對(duì)圖案(2.5)進(jìn)行投影的圖案載體外，可以采用市場(chǎng)上供應(yīng)的硬件元件。
從本申請(qǐng)人的德國專利申請(qǐng)19636354.3已知一種方法和裝置，其中光學(xué)裝置是以交替地把圖案投影在被觀測(cè)表面上的這種方法隨圖象轉(zhuǎn)換器的圖象刷新率同步地設(shè)定的，以及觀測(cè)表面得到完全照射。
在本發(fā)明特別好的檢取裝置的結(jié)構(gòu)中，在以上所述的意義中，設(shè)定和安排另外的裝置，從而從一系列單個(gè)圖象中能夠獲得被檢測(cè)表面的3D數(shù)據(jù)和例如彩色視圖二者。
參考表1.1具有三維廣度的目標(biāo)2．投影單元2.1光束偏轉(zhuǎn)器(反射鏡)2.2載體(在這種情況中為光學(xué)玻璃體的形式)2.3底座框架2.4光學(xué)裝置(物鏡)2.5圖案載體(帶有刻蝕圖案或例如載物片)2.6光學(xué)裝置(聚光器)2.7光束源2.8分束器2.9光學(xué)裝置(透鏡)3．檢取單元3.1光束偏轉(zhuǎn)器(反射鏡)3.2載體(在這種情況中為光學(xué)玻璃體的形式)3.3底座框架3.4光學(xué)裝置(物鏡)3.5電子圖象轉(zhuǎn)換器(CCD陣列)3.6控制單元3.7A/D轉(zhuǎn)換器(幀接收器)3.8數(shù)據(jù)處理單元3.9電子連接3.10定位銷3.11光束偏轉(zhuǎn)器(偏轉(zhuǎn)棱鏡)3.12無光澤屏幕
權(quán)利要求
1．一種利用至少一個(gè)廣視場(chǎng)的電子圖象轉(zhuǎn)換器(3.5)、至少一個(gè)將目標(biāo)成象在圖象轉(zhuǎn)換器(3.5)上的光學(xué)裝置(3.4)以及至少一個(gè)光束源(2.7)和用于作圖案投影的合適光學(xué)裝置(2.4、2.5和2.6)以光學(xué)檢取元件、投影圖案和三角測(cè)量計(jì)算的手段對(duì)目標(biāo)(1.1)作三維觀測(cè)的方法，其特征在于a)作圖案投影的裝置(2.1至2.7)與作圖象檢取的裝置(3.1至3.5)在空間上是分開的，它們之間是不連接的并可以全部自由度作相對(duì)移動(dòng)；b)在檢取過程期間為了進(jìn)行至少一次圖象檢取，作圖案投影的裝置(2.1至2.7)相對(duì)于作圖象檢取的裝置(3.1至3.5)的幾何排列事先是未知的，必須利用另一裝置進(jìn)行確定。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于用作確定作圖案投影的裝置(2.1至2.7)相對(duì)于作圖象檢取的裝置(3.1至3.5)的幾何排列的所述另一裝置是對(duì)這一幾何排列進(jìn)行觀測(cè)的裝置。
3．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于作圖案投影的裝置(2.1至2.7)相對(duì)于作圖象檢取的裝置(3.1至3.5)的幾何排列的觀測(cè)是以光學(xué)方式進(jìn)行的。
4．如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于對(duì)于作圖案投影的裝置(2.1至2.7)相對(duì)于作圖象檢取的裝置(3.1至3.5)的幾何排列的光學(xué)觀測(cè)，利用顯著的圖案進(jìn)行三角測(cè)量計(jì)算。
5．如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于用于對(duì)作圖案投影的裝置(2.1至2.7)相對(duì)于作圖象檢取的裝置(3.1至3.5)的幾何排列作光學(xué)觀測(cè)的顯著圖案是通過投影形成的。
6．如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于將分束器(2.8)排列在用于對(duì)目標(biāo)(1.1)作觀測(cè)的圖案的投影光路中，使得圖案或者圖案載體(2.5)等同地用作目標(biāo)的觀測(cè)以及被成象在與底座框架(3.3)牢固連接并具有已知空間廣度的表面(3.12)上。
7．如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于投影在表面(3.12)上的圖案通過光學(xué)裝置(3.11)被成象在圖象轉(zhuǎn)換器(3.5)上。
8．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述表面(3.12)是無光澤的屏幕。
9．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于光學(xué)裝置(3.11)是反射鏡。
10．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于a)光學(xué)裝置(3.11)是覆蓋整個(gè)光路的分束器；b)其檢取過程期間準(zhǔn)備至少兩個(gè)單個(gè)圖象；c)此外，在分束器的兩個(gè)光軸上安排可切換的光學(xué)裝置，隨圖象轉(zhuǎn)換器的圖象刷新率同步地對(duì)它們進(jìn)行切換，交替地為光學(xué)透明和不透明。
11．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于a)在檢取過程期間作出至少兩次單個(gè)圖象檢?。籦)對(duì)于單個(gè)圖象的檢取，作圖案投影的裝置(2.1至2.7)相對(duì)于作圖象檢取的裝置(3.1至3.5)的幾何排列是已知的；c)對(duì)于目標(biāo)的主要區(qū)域，在采用作圖案投影的裝置(2.1至2.7)相對(duì)于作圖象檢取的裝置(3.1至3.5)的已知幾何排列進(jìn)行這一圖象檢取中，對(duì)此已經(jīng)能夠形成表面區(qū)域的足夠多個(gè)3D坐標(biāo)，對(duì)此在接下來的單個(gè)圖象中也存在相應(yīng)的圖象數(shù)據(jù)；d)從起源于單個(gè)圖象的數(shù)據(jù)相對(duì)于計(jì)及被成象到相同范圍內(nèi)的目標(biāo)表面區(qū)域的數(shù)據(jù)的比較中，利用數(shù)字算法計(jì)算作圖案投影的裝置(2.1至2.7)相對(duì)于作圖象檢取的裝置(3.1至3.5)的幾何排列。
12．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于對(duì)于單個(gè)圖象的檢取，其中定位銷(3.10)已標(biāo)出，作圖案投影的裝置(2.1至2.7)相對(duì)于作圖象檢取的裝置(3.1至3.5)的幾何排列是已知的。
13．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于用于計(jì)算作圖案投影的裝置(2.1至2.7)相對(duì)于作圖象檢取的裝置(3.1至3.5)的幾何排列的數(shù)字算法是根據(jù)最佳漸進(jìn)策略的方法。
14．把按照權(quán)利要求1至13之一的方法用于醫(yī)學(xué)診斷、治療或提供文件。
15．如權(quán)利要求1至13之一所述的裝置，其特征在于至少一個(gè)圖象轉(zhuǎn)換器(3.5)為CCD陣列形式。
16．如權(quán)利要求1至13以及15之一所述的裝置，其特征在于底座框架(2.3)或載體(2.2)與裝置(2.4至2.7)中至少兩個(gè)裝置牢固地連接。
17．如權(quán)利要求1至13以及15和16之一所述的裝置，其特征在于底座框架(3.3)或載體(3.2)與裝置(3.4和3.5)牢固連接。
18．如權(quán)利要求1至13以及15至17之一所述的裝置，其特征在于載體(2.2)及其元件被可拆分地連接到底座框架(2.3)，另一種結(jié)構(gòu)是這樣的，即適合于單獨(dú)消毒或滅菌。
19．如權(quán)利要求1至13以及15至18之一所述的裝置，其特征在于載體(3.2)及其元件被可拆分地連接到底座框架(3.3)，另一種結(jié)構(gòu)是這樣的，即適合于單獨(dú)消毒或滅菌。
20．如權(quán)利要求1至13以及15至19之一所述的裝置，其特征在于用于把目標(biāo)(1.1)光學(xué)成象在圖象轉(zhuǎn)換器上的至少一個(gè)透鏡系統(tǒng)被固定在載體(3.2)上。
21．如權(quán)利要求1至13以及15至20之一所述的裝置，其特征在于用于把圖案光學(xué)投影到目標(biāo)(1.1)上的至少一個(gè)透鏡系統(tǒng)被固定在載體(2.2)上。
22．如權(quán)利要求1至13以及15至21之一所述的裝置，其特征在于給載體(2.2)配備至少一個(gè)光學(xué)偏轉(zhuǎn)裝置(2.1)。
23．如權(quán)利要求1至13以及15至22之一所述的裝置，其特征在于給載體(3.2)配備至少一個(gè)光學(xué)偏轉(zhuǎn)裝置(3.1)。
24．把按照權(quán)利要求15至23之一的裝置用于醫(yī)學(xué)用途。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種通過光學(xué)圖象捕獲、投影圖案和三角測(cè)量計(jì)算進(jìn)行三維目標(biāo)測(cè)量的方法和裝置。圖案投影裝置和圖象捕獲裝置是分別設(shè)計(jì)的,在測(cè)量過程中可以被單獨(dú)定位和引導(dǎo)。對(duì)于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的醫(yī)學(xué)診斷、治療或提供文件這是特別有利的。
文檔編號(hào)A61C9/00GK1230254SQ97197908
公開日1999年9月29日 申請(qǐng)日期1997年8月19日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月13日
發(fā)明者R·魯伯特 申請(qǐng)人:敘林克斯醫(yī)學(xué)技術(shù)有限公司