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專利名稱：掃描裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于確定一個(gè)物體的形狀、尺寸或其它三維表面特性，例如顏色等的掃描裝置和方法。
一些專利和公開的專利申請披露了利用掃描激光束或類似技術(shù)來確定物體形狀的光學(xué)掃描系統(tǒng)。通常，這類系統(tǒng)采用固定安裝的掃描系統(tǒng)并用光三角測量法來測定深度信息。例如這種系統(tǒng)包括US-4627734(Rex)，EP-B-233920(Addleman)和WO94/15173(Crampton)。
對用來測定形狀或其它表面特性的掃描器的要求是其可以手持。就我們所知，目前只有一種這樣的系統(tǒng)，其公開在US-5198877(Schulz)和它的同族EP-A-553266中。
Schulz系統(tǒng)需要一個(gè)在外部建立的、且由光電檢測器陣列確定的坐標(biāo)系，光電檢測器檢測掃描器上的指示燈陣列。因此只能在坐標(biāo)系內(nèi)使用掃描器，而且必須將指示燈陣列保持在光電檢測器陣列的視野內(nèi)，這樣實(shí)際上限制了掃描器的靈活性。這是一個(gè)比較嚴(yán)重的缺陷，因?yàn)橥ǔＰ枰獜拇芯课矬w的所有側(cè)面上進(jìn)行掃描以便建立物體表面的完整圖象。
本發(fā)明的目的是提供一種掃描裝置和方法，其中掃描器可不受其安裝位置的影響而自由移動(dòng)。
此外，本發(fā)明提供一種用于測定物體形狀或其它三維表面特性的掃描裝置，該裝置包括可相對所說物體自由移動(dòng)的掃描器件，掃描器件包括a)用于把預(yù)定圖形投影到物體表面某個(gè)區(qū)域上的光學(xué)投影器，和b)用于檢測所說區(qū)域的坐標(biāo)或其它表面特性、并產(chǎn)生表示該坐標(biāo)和其它表示特性的輸出信號的光學(xué)檢測器，掃描裝置進(jìn)一步包括c)聯(lián)接到所說檢測器上的處理器，其產(chǎn)生一組表示所說物體表面掃描區(qū)表面特性的輸出數(shù)據(jù)，d)與所說處理裝置相聯(lián)接的組合器，其通過合適的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移把多組從對所說表面進(jìn)行重復(fù)掃描中得到的輸出數(shù)據(jù)組合成一組共用的輸出數(shù)據(jù)，所說組合器可附加地包括其他的處理器，其根據(jù)與所說表面共用區(qū)有關(guān)的各組輸出數(shù)據(jù)的子集合計(jì)算所說的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移，e)還可以附加設(shè)置一個(gè)慣性檢測器，用該檢測器檢測所說掃描器件相對于所說物體的運(yùn)動(dòng)、并產(chǎn)生代表該運(yùn)動(dòng)的輸出信號，和f)修正器件，其用于在各順序掃描之間修正掃描器件相對于所說物體的運(yùn)動(dòng)，所說修正器件至少響應(yīng)下列信號之一i)來自所說慣性檢測器(如果有的話)的輸出信號，ii)來自所說另一個(gè)處理器(如果有的話)的輸出數(shù)據(jù)，本發(fā)明的裝置包含所說慣性檢測器或另一個(gè)處理器之一，或是同時(shí)包含兩者。
在一個(gè)實(shí)施例中，掃描器件帶有用于檢測線性加速度的慣性檢測器和用于檢測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動(dòng)檢測器。通過相對于時(shí)間對慣性檢測器的輸出進(jìn)行雙重積分和相對于時(shí)間對轉(zhuǎn)動(dòng)檢測器的輸出進(jìn)行積分，可以在掃描過程中檢測到掃描器件的位置和狀態(tài)，并由修正器件提供對光學(xué)檢測器進(jìn)行修正的參數(shù)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，修正器件有效地包括組合器，在這個(gè)實(shí)施例中組合器還包括組合來自連續(xù)掃描的數(shù)據(jù)所需的、用于檢測平移和/或轉(zhuǎn)動(dòng)的處理器。
本發(fā)明還提供一種利用掃描器件確定物體形狀或其它三維表面特性的方法，其中掃描器件可相對于物體自由移動(dòng)，所述方法包括i)用掃描器件把預(yù)定的光學(xué)圖形投影到物體表面的某個(gè)區(qū)域上，ii)借助安裝在所說掃描器件上的光學(xué)檢測器光學(xué)地檢測所說區(qū)域的坐標(biāo)或其它表面特性，iii)得到一組表示所說區(qū)域的所說坐標(biāo)或其它表面特性的輸出數(shù)據(jù)，iv)以重疊的方式對整個(gè)所說物體上的光學(xué)圖形進(jìn)行重復(fù)掃描，并從重疊掃描中得出其它各組輸出數(shù)據(jù)，和v)通過用慣性檢測器(50，51)檢測所說掃描器件相對所說物體的運(yùn)動(dòng)或通過測定將各組輸出數(shù)據(jù)的子集合疊加所需的轉(zhuǎn)動(dòng)和/或平移，可以修正在各順序掃描之間使所說掃描器件相對于所說物體運(yùn)動(dòng)的各組輸出數(shù)據(jù)，所說的輸出數(shù)據(jù)與所說表面的面積有關(guān)，而所說表面對所說各組數(shù)據(jù)來說是共同的。
在從屬權(quán)利要求中確定了本發(fā)明的優(yōu)選特征。
下面將僅參照附

圖1-6中示出的實(shí)例說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
圖1是按照本發(fā)明所述一個(gè)掃描器件(采用了線性掃描模式)的示意性透視圖，其表示光學(xué)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)；圖2是采用圖1所示掃描器件的掃描裝置方框圖；圖3是表示在本發(fā)明所述掃描裝置中使用的另一個(gè)掃描器件(采用二維掃描模式)光學(xué)結(jié)構(gòu)的平面圖；圖4是表示圖2中所示裝置進(jìn)行圖象處理的流程圖；圖5是說明用圖3中的掃描器件進(jìn)行重疊掃描模式投影的示意性透視圖；圖6是說明記錄重疊掃描表面區(qū)方法的示意性透視圖。
圖1中示意的大致呈T形的掃描器件10是手持的，其包括在未知形狀的物體1上產(chǎn)生豎向扇形光束3的投影器和使得從物體上受照射的區(qū)域擴(kuò)散反射的光4會(huì)聚，并使得物體表面上這束光束的投影13在兩維光電檢測器34上成象的透鏡33。光束3是由激光器29(其最好是具有成束光的半導(dǎo)體激光器，但也可以是例如氦氖激光器)和柱形透鏡30產(chǎn)生的，光電檢測器34由二維CCD陣列構(gòu)成，沿CCD陣列的每一維上布置有例如幾百個(gè)光敏感元件。在另一個(gè)實(shí)施例(未示出)中，掃描器件通常為C形，在C形掃描器件的一個(gè)管腳中設(shè)有光束發(fā)生器，在另一個(gè)管腳中設(shè)有光電檢測器，兩個(gè)管腳之間有一個(gè)夾緊器，借助于夾緊器可以使掃描器件在近似豎直的方向上工作和在近似水平的方向上發(fā)射扇形光束。
為了使景深最大和簡化幾何結(jié)構(gòu)，應(yīng)使光電檢測器34在水平(Z-X)平面內(nèi)相對X-Y平面傾斜角度β，其法線與透鏡33的光軸平行，角度β應(yīng)滿足Scheimpflug條件。在該條件下，通過透鏡33把光電檢測器34的象投影到扇形光束3的平面上，而且正如在垂直于光束3的平面的角度上所看到的那樣，形成在光電檢測器34上的圖象13’對應(yīng)于物體表面的形狀。例如在物體的前部有一個(gè)隆起11，而這一特征在外形的圖象13’中是清晰可見的。除了透鏡33的放大率是均一的情況(在這種情況下投影帶13和圖象13’對稱地位于透鏡33的兩側(cè))之外，圖象13’是變形的投影帶13的圖象，而且通常區(qū)域放大率MR(光電檢測器上圖象點(diǎn)的水平位移與相應(yīng)投影點(diǎn)在光束3的平面內(nèi)的位移之比)是由MR＝MLsing得出的，其中ML是橫向放大率，而g是在水平平面內(nèi)透鏡33的光軸和光束3之間的角度。
Rex等人在《光學(xué)工程》，1987年12月，Vol26，No12，第1245頁中對Scheimpfiug條件進(jìn)行了討論，并將其示于該論文的圖2和圖3中，在本文中引用這篇文作為參考。
因此，對于熟悉光學(xué)工程領(lǐng)域的技術(shù)人員來說很明顯，可以根據(jù)光電檢測器34的輸出得到物體1的表面形狀(如在垂直于光束3平面的角度觀察所見)。
使用時(shí)，用掃描器件10掃描物體1整個(gè)表面上的投影帶13。在這個(gè)過程中，掃描器件方位角的變化用振動(dòng)式陀螺儀51來檢測，陀螺儀51產(chǎn)生分別表示掃描器件10圍繞軸x、y和z轉(zhuǎn)動(dòng)率的輸出信號ΦX、ΦY、ΦZ。在市場上可以購得價(jià)格便宜的小型振動(dòng)式陀螺儀，而且根據(jù)科里奧利(Coriolis)力可以把陀螺儀設(shè)置在一個(gè)振動(dòng)殼體或其它結(jié)構(gòu)內(nèi)。同樣，用加速度計(jì)50檢測掃描器件沿x、y和z軸的加速度，加速度計(jì)分別產(chǎn)生各加速度信號aX、aY和aZ。最好是使陀螺儀51的傳感軸靠近光電檢測器34的中部以便簡化后面的計(jì)算，但這并不是必須的。
掃描器件還包括觸發(fā)開關(guān)T，用戶可操作該開關(guān)開始或停止搜索來自光電檢測器的數(shù)據(jù)。這個(gè)觸發(fā)開關(guān)T輸出控制信號C。
把加速度計(jì)和陀螺儀設(shè)置在物體1上，并在驅(qū)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)的同時(shí)使掃描器件保持靜止，從而掃描物體表面上的投影帶13，這一特征也包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在物體移動(dòng)不可避免的情況下，例如當(dāng)物體是人體的一部分，比如是患者的頭部時(shí)，這種設(shè)置是非常有用的。
圖2中示出了用于處理來自光電檢測器34、陀螺儀51和加速度計(jì)50的輸出信號的電路?？梢酝ㄟ^例如柔性電纜或無線連接把這些信號送到處理電路中，或是例如把這些輸出信號數(shù)字化并存在掃描器件內(nèi)的局部存儲器如一個(gè)高容量小型硬盤(未示出)中，從而使掃描器件能在其處理電路的遙控下使用和完成掃描之后進(jìn)行的處理。至少把圖2中的某些電路設(shè)置在掃描器件中。
根據(jù)陀螺儀51和/或加速度計(jì)50輸出的信號控制由光電檢測器34產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和/或?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行搜索，由此可避免在轉(zhuǎn)角或加速度過大或過小(例如因噪聲或漂移所致)的情況下確定掃描器的位置和/或方位從而能進(jìn)行精確計(jì)算。
現(xiàn)在再參照圖2，圖中所示的三個(gè)方塊50a-50c表示加速度計(jì)，它們輸出的信號分別表示沿x、y和z軸的加速度，同樣，方塊51a-51c表示陀螺儀，它們的輸出信號分別表示繞軸x、y和z的轉(zhuǎn)速。用傳統(tǒng)的低噪聲和低漂移前置放大電路對加速度信號進(jìn)行放大并經(jīng)采樣保持電路45后將其送到14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器20中。同樣，轉(zhuǎn)動(dòng)信號由傳統(tǒng)的低噪聲和低漂移前置放大電路進(jìn)行放大并經(jīng)采樣和保持電路56送至14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器55。采樣和保持電路45、56以每秒鐘5000次的速度進(jìn)行采樣。把來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器20和55的數(shù)字化信號分別送至信號調(diào)整電路21和52，調(diào)整電路包含數(shù)字式濾波器以便濾掉噪聲、修正加速度計(jì)或陀螺儀輸出信號中的非線性(例如通過采用查詢表)和修正因溫度變化引起的漂移。
把得到的數(shù)據(jù)送到數(shù)字式信號處理器23，在此對陀螺儀51的傳感軸相對光電檢測器34的偏移(如果有的話)進(jìn)行修正并對加速度計(jì)50和陀螺儀51之間的距離進(jìn)行修正。這種修正是必要的，因?yàn)槔缂性诩铀俣扔?jì)50上的突然轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使光電檢測器34產(chǎn)生未被加速度計(jì)檢測到的足夠大的加速度。然而，對熟悉本鄰域的技術(shù)人員來說，很明顯，考慮到加速度計(jì)和陀螺儀之間是分離設(shè)置的，因此可以使用由陀螺儀測得的轉(zhuǎn)速的變化率和加速度計(jì)的輸出來計(jì)算光電檢測器的加速度，原則上還應(yīng)注意到，還可以根據(jù)兩個(gè)相隔的陀螺儀(每個(gè)陀螺儀對圍繞所有三個(gè)軸的方向敏感)或兩個(gè)相隔的加速度計(jì)(每個(gè)加速度計(jì)對沿所有三個(gè)軸的方向敏感)的輸出信號計(jì)算光電檢測器的轉(zhuǎn)速和加速度，所說陀螺儀或加速度計(jì)相對于光電檢測器的位置是已知的。
處理器23采用雙重積分法對經(jīng)修正的光電檢測器加速度(沿x、y和z軸)連續(xù)值進(jìn)行雙重積分以便確定光電檢測器在掃描期間的瞬時(shí)位置(相對于任一起始位置)。由于采樣和保持電路45和56被鎖定電路57以極快的頻率(例如5KHz)鎖定，所以這種位置檢測實(shí)際上是實(shí)時(shí)進(jìn)行的。
同樣，處理器23采用積分法對經(jīng)過修正的光電檢測器轉(zhuǎn)速(圍繞x、y和z軸)的連續(xù)值進(jìn)行積分以便確定光電檢測器在掃描過程中的瞬時(shí)方位，這實(shí)際上也是實(shí)時(shí)進(jìn)行的。
為了適時(shí)修正位置和方位要在每秒鐘內(nèi)對100個(gè)采樣組進(jìn)行50次上述積分，這與光電檢測器34的采樣頻率相匹配。
把上述位置和方位信號送到掃描數(shù)據(jù)處理器25，該處理器25還接收從光電檢測器34輸出并通過采樣和保持電路26、14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器27以及修正電路28送來的物體1表面的數(shù)字化外形。修正電路28修正掃描器件10的任何光學(xué)畸變(特別是由透鏡33引起的畸變)，通過合適的修正(例如修正橫向偏差和從Scheimpflug幾何學(xué)得出的距離放大率)從圖象13’中得到投影帶13的真正形狀(如從垂直于光束3的平面角度上看到的那樣)，并且還能確定圖象13’的矩心，雖然在圖1中是用一條線來表示圖象13’，但是通常該圖象具有有限的寬度，因此能增大從水平靠近光電檢測器的元件輸出的信號。
因此，掃描數(shù)據(jù)處理器25能夠?qū)崟r(shí)地接收代表物體1真實(shí)形狀的信號(如從垂直于光束3的平面所看到的那樣)和代表光電檢測器4的方位和位置的信號(光電檢測器與和物體1的表面相交的光束3照射區(qū)的位置及方位有固定關(guān)系)。通過簡單地利用與從光電檢測器34中采集的每組坐標(biāo)數(shù)據(jù)相應(yīng)的各次轉(zhuǎn)動(dòng)和平移，可以直接從上述數(shù)據(jù)中得到由光束3掃描的整個(gè)物體表面區(qū)域的形狀特征。
然而，在掃描過程中很可能會(huì)產(chǎn)生累積的位置和方位誤差，此外至少在一些掃描點(diǎn)上的轉(zhuǎn)動(dòng)和加速度會(huì)處于加速度計(jì)和陀螺儀的動(dòng)態(tài)范圍之外。因此，在掃描期間不獲取數(shù)據(jù)，而只是間歇地在例如掃描器件10上的操作器控制開關(guān)T的控制下，或是在加速度計(jì)和/或陀螺儀輸出信號的控制下，或者是在預(yù)定的期間才獲取數(shù)據(jù)。例如，可用這種信號來驅(qū)動(dòng)類似LED這樣的指示器以便向操作者顯示加速度和/或轉(zhuǎn)速處于搜索數(shù)據(jù)時(shí)可接受的范圍內(nèi)，或者是可以用這種信號作為門信號，例如通過阻止來自電路57的時(shí)鐘信號到達(dá)采樣和保持電路26來阻斷對數(shù)據(jù)的搜索。
而且，在本優(yōu)選實(shí)施例中，處理器25僅適用于與一組連續(xù)的外形相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移以便在操作者的控制下和/或在上述門信號的控制下產(chǎn)生小區(qū)域掃描表面的表面描繪信號和停止產(chǎn)生這種表面描繪信號(這種表面描繪在一個(gè)共用坐標(biāo)系中是一個(gè)云斑)。用相似的方法，例如通過再一次操縱開關(guān)或釋放門信號可以產(chǎn)生描繪另一個(gè)表面部分的表面信號。用這種方式可產(chǎn)生連續(xù)掃描文件，每個(gè)文件包含有代表不同但卻是表面部分重疊的云斑。在掃描期間監(jiān)視掃描器件10的位置和方位，并由此獲得在開始形成每個(gè)掃描文件時(shí)光電檢測器34的位置和方位角(雖然可能帶有一些累積誤差)，所述的位置和方位與掃描文件的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)有關(guān)。
每個(gè)掃描文件由描繪掃描表面區(qū)域表面坐標(biāo)的三維云斑構(gòu)成，并與在對該組每個(gè)外形進(jìn)行搜索期間表示光電檢測器34位置和方向的數(shù)據(jù)有關(guān)。把連續(xù)掃描的文件從處理器25輸出到設(shè)有顯示器131和鍵盤130的計(jì)算機(jī)47中。
在說明由計(jì)算機(jī)47進(jìn)行的處理過程之前，先參照圖3說明包含投影器和探測器的另一個(gè)光學(xué)裝置，該裝置在物體的表面35上投影一個(gè)兩維光學(xué)圖形，并從該圖形上檢測一系列物體表面形狀。而且該裝置還能夠在不需要任何位置或方向信號的情況下對確定掃描物體表面區(qū)域的一組三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索并能取代圖1中所示的光學(xué)裝置。
參照圖3，半導(dǎo)體激光器29向光學(xué)裝置300發(fā)射激光束，所說的光學(xué)裝置包含有柱形透鏡或象振動(dòng)式反射鏡裝置這樣的掃描器，設(shè)置柱形透鏡是為了形成垂直射向附圖平面的扇形光束，而設(shè)置振動(dòng)式反射鏡裝置是為了使光束垂直于附圖的平面振動(dòng)以便形成相應(yīng)的扇形包絡(luò)線。然后通過一個(gè)固定反射鏡把得到的扇形光束或包絡(luò)線投射到以20,000r.p.m轉(zhuǎn)動(dòng)的且由24個(gè)小平面構(gòu)成的多邊形反射鏡40上，該反射鏡對圖中所示平面內(nèi)的光束或包絡(luò)線3’進(jìn)行掃描。由光束或包絡(luò)與物體表面的交叉處確定的外形(如箭頭a或b所示)通過透鏡33成象到傾斜的光電檢測器34’上，并形成相應(yīng)的圖象a’或b’。最好使檢測器34’滿足Scheimpflugts條件以便使景深最大。這樣便可以從相應(yīng)的圖象a’或b’中測定表面a或b的形狀。
為了使所檢測的外形與一個(gè)共同的坐標(biāo)系相關(guān)，必須知道光束或包絡(luò)線3’在附圖平面中的瞬時(shí)方向，為此用傳感器41檢測多邊形反射鏡40的角度位置，并把角度位置信號送到處理器42。在傳感器41輸出位置信號的同時(shí)，處理器42對光電檢測器34’的輸出進(jìn)行采樣，并根據(jù)角度位置信號相對于共用坐標(biāo)系對由處理器42算出的每個(gè)外形進(jìn)行校準(zhǔn)。因此，處理器42的輸出是三維坐標(biāo)系中的云斑，其限定了由光束3’掃描的表面區(qū)。優(yōu)選的裝置300包括一個(gè)使激光束垂直于附圖的平面快速振動(dòng)(例如以8KHz)的掃描器，該振動(dòng)與在附圖平面內(nèi)得到的包絡(luò)線3’的振動(dòng)頻率有關(guān)，而且光電檢測器34’是一個(gè)兩維橫向效應(yīng)光電二極管。這種裝置具有非常短的響應(yīng)時(shí)間，并且能在掃描器明顯移動(dòng)之前產(chǎn)生表面掃描區(qū)的有效瞬時(shí)“圖象”。
這類用于產(chǎn)生掃描文件的設(shè)備中象圖1所示的裝置具有以下兩方面優(yōu)點(diǎn)首先消除了投影帶之間慣性導(dǎo)航信號中的各種誤差，其次在物體表面上經(jīng)掃描的兩維區(qū)域內(nèi)搜索的數(shù)據(jù)密度將更加線性化，而且與掃描速度完全無關(guān)。
用術(shù)語‘對數(shù)據(jù)進(jìn)行“有效地瞬時(shí)”搜索’來說明對在一段時(shí)間內(nèi)投影到物體表面上的兩維矩陣或光柵內(nèi)多個(gè)表面點(diǎn)的搜索，所說的時(shí)間段是如此之短，以致于在該時(shí)間內(nèi)掃描器件10預(yù)期的最大運(yùn)動(dòng)量小于表面形狀數(shù)據(jù)所需的精度。
例如，如果預(yù)期的最大掃描精度是250mm/s，所要求的精度是1mm，那么在最大速度下所花的時(shí)間為1/250＝0.004s。因此，在4ms內(nèi)必須完成全部兩維搜索。最好是使每次搜索包含至少幾百個(gè)點(diǎn)。例如，如果多邊形反射鏡40在每次掃描時(shí)在物體表面上形成32×32點(diǎn)的矩陣式搜索，那么應(yīng)在每秒鐘內(nèi)得到1024/0.004＝256000個(gè)點(diǎn)。
除了上述的轉(zhuǎn)動(dòng)式多邊形掃描裝置之外，目前能滿足這種技術(shù)要求的幾種可行的掃描技術(shù)包括聲光偏轉(zhuǎn)器和電光偏轉(zhuǎn)器系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以是與諧振式行掃描器任意結(jié)合。所有這些系統(tǒng)都能以可變的角度并在兩維空間內(nèi)把表面上的一個(gè)點(diǎn)投影到掃描器件上并且能快速地控制投影角度。
特別是，通常采用聲光偏轉(zhuǎn)器來改變晶體的折射率，以使光束偏轉(zhuǎn)1000個(gè)線性分隔的單值角中的任一角度?？梢詫⑻囟ǖ穆暪馄骷?lián)接成使之能提供x，y向隨機(jī)存取的偏轉(zhuǎn)。
上述轉(zhuǎn)動(dòng)式多邊形反射鏡系統(tǒng)需要一個(gè)能在光柵的每一行上形成行掃描的中速轉(zhuǎn)動(dòng)式多邊形反射鏡40和在改變每行的開始位置時(shí)使光柵豎向移動(dòng)的低速掃描器，例如光學(xué)裝置300中的另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)式多邊形反射鏡。如果使用的是有24個(gè)小平面的多邊形，那么在轉(zhuǎn)速為20000r.p.m的情況下，多邊形反射鏡40的掃描速度是8000行/秒(掃描角度為15°)，并且在4ms內(nèi)將掃描32條線。光學(xué)裝置300的另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)式多邊形反射鏡可以是以(1/0.004)/24×60＝625RPM轉(zhuǎn)動(dòng)的24面多邊形，即每4個(gè)毫秒掃描一次。
如上所述，優(yōu)選的光點(diǎn)檢測器34’是一個(gè)橫向效應(yīng)的兩維線性硅光電檢測器，光電檢測器輸出連續(xù)的模擬信號，該信號顯示入射光的矩心相對于光電檢測器中心的偏移量。這種光電檢測器能分辨出幾Mhz下的光變化。
圖3所示實(shí)施例中的處理器42優(yōu)選包括多個(gè)高速頻閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器把來自光電檢測器的x和y向矩心信號數(shù)字化，所說信號與測量時(shí)在投影光束3’的特定角度點(diǎn)上得到的表面形狀相對應(yīng)。然后把數(shù)字化的點(diǎn)轉(zhuǎn)化成三維坐標(biāo)系中的點(diǎn)，該三維坐標(biāo)系為由多邊形反射鏡40借助于來自傳感器41的信號完成的整體掃描所共有，傳感器41可以是例如霍爾效應(yīng)傳感器。這些信號表示光束3’的瞬時(shí)取向。如果用聲光裝置進(jìn)行掃描，那么可以從裝置的驅(qū)動(dòng)信號中得到所需的光束取向信息。
用圖3所示的裝置比用圖1所示的裝置能采集更多的數(shù)據(jù)，而且由于掃描文件之間的移動(dòng)非常小，所以能使每個(gè)連續(xù)掃描的文件包含很大比例(例如50％或更多)的前一次掃描數(shù)據(jù)，由此可達(dá)到幾乎完全重合。這樣能夠比較容易地將與連續(xù)掃描的文件對應(yīng)的表面部分結(jié)合起來得到對物體1表面的完整描繪。特別是，雖然圖3所示的裝置中具有與圖1中的加速度計(jì)和陀螺儀相同的加速計(jì)50和陀螺儀51，但是不必把處理器42的輸出與從這種加速度計(jì)和陀螺儀得到的數(shù)據(jù)相結(jié)合來給出包含所需位置和方位角數(shù)據(jù)的連續(xù)掃描文件，其中的數(shù)據(jù)由圖1中的電路25提供。在不輔之以這種數(shù)據(jù)的情況下，可以把掃描的表面部分與計(jì)算機(jī)結(jié)合起來，這一點(diǎn)從下面的掃描中將更易于理解。然而可以用來自加速度計(jì)和陀螺儀的信號a)得到在連續(xù)掃描文件之間掃描器件的位置的方位角變化，然后把逐對(或更大組)掃描文件結(jié)合起來形成復(fù)合掃描文件，這樣，只需要很少的配合處理便能得到完整的表面描繪和b)向后續(xù)處理電路即能在相繼的掃描文件之間找到重疊區(qū)的電路提供位置和方位角信號，由此來簡化處理。下面將參照圖5來說明這種信號的使用情況。
現(xiàn)在再參照圖4，其表示計(jì)算機(jī)47對掃描文件的處理過程和數(shù)據(jù)流。把每個(gè)掃描文件(1-N號)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)表示成611-61N的云斑。
下面將詳細(xì)說明圖中所述的數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)原始三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的掃描文件這是從掃描器件10的一次掃描中采集的數(shù)據(jù)文件(用CLOUD OFPOINTS(云斑)表示)。它包含對表面形狀三維坐標(biāo)的多次搜索。當(dāng)壓下掃描器件觸發(fā)開關(guān)T且在任何方向上的速度都超過閾值時(shí)，便開始掃描。而當(dāng)釋放觸發(fā)開關(guān)T或任何方向的速度下降到低于第二(較低的)閾值(滯后)時(shí)，則停止掃描。在此期間，以規(guī)則的時(shí)間間隔進(jìn)行外形搜索，而且外形的數(shù)量與掃描持續(xù)的時(shí)間成正比。每一次外形搜索包含沿外形長度方向的多次距離采樣。在另一個(gè)實(shí)施例中，除了基本的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)之外，在每個(gè)掃描文件中還可以包含一些其它的數(shù)據(jù)項(xiàng)，以便協(xié)助后續(xù)程序完成例如掃描文件時(shí)間標(biāo)記的誤差修正，從而指示開始掃描的時(shí)間、掃描器件的位置和方位角以及表面顏色。
步驟62掃描文件的表面擬合掃描文件實(shí)質(zhì)上由一組隨機(jī)放置且彼此無關(guān)的點(diǎn)構(gòu)成，這些點(diǎn)作為無序點(diǎn)和在后續(xù)處理階段不適合格式化的點(diǎn)極難進(jìn)行任何進(jìn)一步的處理，這個(gè)處理過程是為在于后續(xù)處理操作形式的掃描文件中由隨機(jī)排列的點(diǎn)描繪的表面建立一種數(shù)學(xué)模型。值得注意的是該數(shù)學(xué)模型不必用x、y和z坐標(biāo)來表現(xiàn)該表面，而僅僅是原始的指令格式，這些數(shù)據(jù)能夠體現(xiàn)諸如能在后續(xù)處理中進(jìn)行非連續(xù)計(jì)數(shù)等有益特征。其具有兩個(gè)效果將數(shù)據(jù)排列成公知的格式，和在不考慮改變數(shù)據(jù)密度的情況下形成掃描區(qū)域完整的表面模型。然而必須考慮到，由于表面模型并不保留最初的原始坐標(biāo)數(shù)據(jù)，所以在這個(gè)過程中會(huì)損失一些數(shù)據(jù)。目前已有多種用一組無序三維坐標(biāo)描繪表面的方法，這些方法包括i)K-D二叉樹，ii)局部鄰域增長計(jì)算法，和iii)沃龍諾依圖的德朗奈三角測量。
i)K-D二叉樹K-D二叉樹(Henderson 1983，F(xiàn)riedman等人；1977)把數(shù)據(jù)定位到二叉樹上，其中樹上的每一點(diǎn)均與它最鄰近的點(diǎn)相連。通過依次測定每個(gè)點(diǎn)和它與其最鄰近點(diǎn)的空間關(guān)系便可以進(jìn)行連續(xù)表面特征的檢測。
ii)局部鄰域增長計(jì)算法通過先擇一個(gè)或多個(gè)種子點(diǎn)(通常是不連續(xù)點(diǎn))并使這些點(diǎn)增長成多個(gè)區(qū)域(受非結(jié)構(gòu)化點(diǎn)數(shù)據(jù)的影響)，直至使這些區(qū)域相遇來實(shí)現(xiàn)局部鄰域增長算法，而且局部鄰域增長算法以適合于進(jìn)一步處理的空間相關(guān)方式完整地描述了這組非結(jié)構(gòu)化點(diǎn)。由于在不連續(xù)點(diǎn)處(例如在邊緣處)阻止了區(qū)域的增長，所以該方法具有在處理過程中自動(dòng)檢測間斷點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)，這使得對后序過程中特征點(diǎn)的識別更加簡單。這種方法的缺點(diǎn)是它比本文中描述的另外兩種方法需要更多的處理。
iii〕沃龍諾依圖的德朗奈三角測量在沃龍諾依圖的德朗奈三角測量是(Toussaint 1997)中，沃龍諾依圖是通過確定一個(gè)與測得的每個(gè)表面點(diǎn)有關(guān)的平面而建立的，以便使平面內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)更靠近測得的表面點(diǎn)，而不是測得的任何其它表面點(diǎn)。這樣便建立起一個(gè)多面體，其多面體表面集中體現(xiàn)在檢測到的各表面點(diǎn)上，多面體表面的邊緣介于測得的相鄰表面點(diǎn)之間。通過在測得的三個(gè)表面點(diǎn)之間確定一個(gè)三角面并測定三角面和中間測得的位于其之上的表面點(diǎn)之間的垂直距離可對得到的多面體進(jìn)行簡化。根據(jù)垂直距離的大小，可以把三角形分成以這些點(diǎn)為頂點(diǎn)而確立的兩個(gè)三角形或者是刪除這些點(diǎn)。對掃描物體(具有三角形表面的一部分多面體)的最終描述很簡單，這是因?yàn)閮H在前一個(gè)近似表面不能令人滿意的情況下才形成其它三角形。Francis等人在1985年描述了一種類似的方法，但其適合于非常大的數(shù)據(jù)組。
從步驟62得到的數(shù)據(jù)將是一種適合于提取特征點(diǎn)的形式的表面模型。根據(jù)步驟62中使用的精確方法，表面模型可以是一組樣條、二叉樹或一組相連的三角形或其它多面體的形式。
步驟63“特征點(diǎn)”的檢測可以將這些點(diǎn)定義為局部表面的任何次導(dǎo)數(shù)(特別是斜率，即，一次導(dǎo)數(shù))過零的點(diǎn)，這些點(diǎn)包括邊緣、拐角、峰、谷和鞍形區(qū)。檢測這些特征的方法包括i)平面切斷和ii)表面曲率分辨。在表面基本上無特征的一些情況下，可將一些小的和易于除去的且為已知形狀和尺寸的標(biāo)記放到待掃描物體上以便產(chǎn)生仿真“特征點(diǎn)”。在處理結(jié)果時(shí)通過減去合適的三維模型的步驟便可從掃描文件中除去這些標(biāo)記。
i)平面切斷理論上，平面切斷的步驟包括沿大約穿過掃描數(shù)據(jù)中心的軸按固定的間隔取下連續(xù)的平面切片。這將提供一組連續(xù)深入到范圍數(shù)據(jù)中的表面外形圖。通過對任何給定平面切片和其前后平面的數(shù)據(jù)差進(jìn)行譯碼便可測出諸如拐角和邊緣等特征?？梢苑磸?fù)進(jìn)行這一步驟，其中開始時(shí)可以使用平面之間的粗大間隔，進(jìn)而是連續(xù)的細(xì)小間隔直至識別出特征點(diǎn)。
ii)表面曲率分析用樣條和對表面進(jìn)行多面體描繪的形式作為輸入數(shù)據(jù)，通過檢測偏離樣條的點(diǎn)，可用表面曲度找出表面中的間斷點(diǎn)。還可以用這種方法測出用其它手段無法測出的表面特征，其中可用數(shù)學(xué)方式完整地描繪一個(gè)平滑的拋物面，而且可以用該拋物面作為掃描記錄的特征點(diǎn)(其斜率過零)而不是象其它方法中的表面點(diǎn)。為此，對于普通的表面積分程序包來說該方法是一種重要的工具，因?yàn)槿绻嬖谌魏伍g隔點(diǎn)，該方法能夠記錄包含極少間隔點(diǎn)的掃描文件。Besl等人在“IEEE TransPAMI，Vol10，No2第167-192，1988年3月”(在此引用作為對此文件)中描述了一種利用表面進(jìn)行表面特征識別的方法雙視點(diǎn)恒定曲度測量，即高斯曲度(K)和平均曲度(H)。相對于八種可能的表面類型，即峰、脊、鞍形脊、平坦區(qū)、小表區(qū)、凹痕、谷和鞍形谷，具有八種這些參數(shù)可能出現(xiàn)的極性組合。
來自步驟63的數(shù)據(jù)流包括與每個(gè)掃描文件有關(guān)的“特征點(diǎn)”而且該數(shù)據(jù)流用一個(gè)表格(例如峰、鞍形、鞍形、谷)表示，所述表格與另一個(gè)表示每個(gè)特征點(diǎn)之間空間關(guān)系的表格相聯(lián)系?？梢杂孟铝袛?shù)據(jù)組或一些子集合來描述第一個(gè)表中的每個(gè)特征點(diǎn)-特征點(diǎn)的中心在該次掃描的局部坐標(biāo)參照幀中的坐標(biāo)。
-在該次掃描的局部坐標(biāo)參照幀中掃描裝置對特征點(diǎn)的相對搜索角。
-類型，例如峰、谷、凹痕、鞍形等。
-導(dǎo)致產(chǎn)生特征點(diǎn)的間斷點(diǎn)的大小。
-表面特性，例如色彩、反射性(假設(shè)使用響應(yīng)這樣特性的光電檢測器而且相應(yīng)的數(shù)據(jù)是有效的)。
步驟64共同特征檢測器通過使該組特征點(diǎn)和它們在每個(gè)掃描文件中空間關(guān)系與其它掃描文件的各組特征點(diǎn)相匹配來識別不同掃描文件中共同的表面特征。這種技術(shù)在Soucy等人的“IEEE Trans。圖形分析和機(jī)器智能，17，No.4，1995年4月”中已有描述，該文在此引用作為參考。
特別是，對每對掃描文件來說，相對于類似的特征點(diǎn)類型進(jìn)行一次掃描，在該對掃描文件之間形成一個(gè)共同的特征點(diǎn)類型表。接著，可以將每次掃描時(shí)表中共同特征點(diǎn)之間的相對空間關(guān)系與各對相似類型之間的第一匹配距離相比較，從而產(chǎn)生原始表的子集合，其中各對特征點(diǎn)之間的空間關(guān)系相互匹配。然后檢查其它相鄰的特征點(diǎn)與從每次掃描中得到的匹配對的相對空間關(guān)系以便得到包含三個(gè)特征點(diǎn)的匹配，從而形成三個(gè)特征點(diǎn)匹配的子集合。這對確定各次掃描之間出現(xiàn)的任何一組共同特征來說是最低的要求。這個(gè)步驟連續(xù)進(jìn)行，直到不能再發(fā)現(xiàn)其它匹配對為止。特征點(diǎn)匹配的數(shù)量越大，對各次掃描之間重疊表面特征間的匹配修正可信度越高。
該步驟的一個(gè)實(shí)例如下掃描文件1 掃描文件2峰 峰峰 脊脊 鞍形凹痕 最小表面凹痕 凹痕首先通過比較刪除對掃描文件1和2來說的非共同特征(即鞍形和最小表面)。
其次計(jì)算掃描文件1中每對特征之間的距離和相應(yīng)地計(jì)算掃描文件2中每對特征之間的距離，結(jié)果列于下表中掃描文件1 掃描文件2峰-峰距離 峰-脊距離峰-脊距離a峰-凹痕距離a峰-脊距離b峰-凹痕距離b峰-凹痕距離a 峰-凹痕距離c峰-凹痕距離b 脊-凹痕距離a脊-凹痕距離 脊-凹痕距離b脊-凹痕距離c把掃描文件1中的每個(gè)距離與掃描文件2中的相應(yīng)距離(即相應(yīng)特征組之間的距離，例如峰-脊距離)相比較?？梢园l(fā)現(xiàn)，例如掃描文件1的峰-脊距離與掃描文件2的峰脊距離相匹配，各掃描文件的峰-凹痕距離相匹配，而且掃描文件1的脊-凹脊距離與掃描文件2的脊-凹痕距離相匹配。然后處理這些匹配的距離，找出可能結(jié)合的三個(gè)不同特征之間的各組之距離表。在這種情況下得到的每一個(gè)表都包括一組峰、脊和凹痕之間的距離掃描文件1峰-脊距離，峰-凹痕距離，脊-凹痕距離掃描文件2峰-脊距離，峰-凹痕距離，脊-凹痕距離如果這些組的距離相匹配，那么可以為這些峰、脊和凹痕相對掃描文件1和2是共同的。
對其中至少三個(gè)特征點(diǎn)已經(jīng)以這種方式與另一個(gè)掃描文件相匹配的所有掃描文件而言，需確定把一個(gè)掃描文件的共同特征點(diǎn)疊加到另一個(gè)文件上所需的三次轉(zhuǎn)動(dòng)(繞一個(gè)掃描文件的坐標(biāo)系統(tǒng)中x、y和z軸)和三次平移(沿x、y和z軸)。
就具有共同特征(重疊區(qū))的每對掃描文件而言，將上述三次轉(zhuǎn)動(dòng)和平移從步驟64輸出到步驟65。
步驟65掃描文件的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移對所有重疊的掃描文件云斑進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)和平移，得到能相對于任意坐標(biāo)系確定掃描物體完整表面的單個(gè)云斑。此外可以將這些轉(zhuǎn)動(dòng)和平移用于步驟62中形成的表面模型。
相對于原始掃描文件的云斑或表面模型來說，得到的數(shù)據(jù)是相同類型的數(shù)據(jù)，但是要將其轉(zhuǎn)換到共同的坐標(biāo)系。
步驟66非冗余表面模型發(fā)生器具有三種把一組多區(qū)域圖象合成單個(gè)非冗余文件的基本方法，在這個(gè)步驟中可以選用任何一種方法1)根據(jù)多組無序的三維點(diǎn)直接計(jì)算表面模型這些技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是僅用點(diǎn)數(shù)據(jù)即可計(jì)算表面模型。為此而作的假設(shè)是a.通過P點(diǎn)的幾個(gè)最近的三維鄰域能測算出P點(diǎn)的N個(gè)最近的表面鄰域，b.模型化的物體表面上的數(shù)據(jù)密度比較均勻，c.用相同的精度測量這些點(diǎn)。
如果采樣的密度不是很高和當(dāng)數(shù)據(jù)是不同精度的數(shù)據(jù)時(shí)(例如在以銳角朝表面反射的過程中得到的數(shù)據(jù))該技術(shù)存在大表面間斷點(diǎn)的問題。這種方法的一個(gè)實(shí)例是Hoppe算法(H.Moppe等人，Proc.ofSIG-GRAPH’92，第77-78頁，1992，該文在此引用作為參考)。
2)通過相對每個(gè)掃描文件設(shè)定參考表面描述來建立表面模型。
在記錄誤差比數(shù)據(jù)搜索誤差小的情況下，該方法可提供比1)更精確的表面模型。為了利用這種技術(shù)成功地實(shí)現(xiàn)模型化，物體上不能帶孔，而且投影到物體表面上的柱形或球形柵格必須是連續(xù)的。
3)利用一組掃描文件的Veun圖測算表面模型片段。
雖然所有三種方法在步驟66中都是有效的，且可由使用者在計(jì)算機(jī)47(圖2)的鍵盤130上用合適的輸入指令進(jìn)行選擇，但是由于方法3)設(shè)有關(guān)于模型化物體的拓?fù)鋵W(xué)記錄，所以該方法是唯一最有用的方法。
這種方法在Soucy等人的IEEE Trans圖形分析和機(jī)器智能(supra)第三部分(第346頁etSeg)中已有描述，所以在下面只作簡單說明。
在將掃描文件結(jié)合之前，先對它們進(jìn)行四步預(yù)處理a.將數(shù)據(jù)移至精確的閾值之下。
b.將數(shù)據(jù)移至深度窗之外。
c.通過在原始文件中保持水平和垂直鄰域之間的三維距離閾值來檢測區(qū)域間斷點(diǎn)。
d.將原始掃描文件投影到一個(gè)平面上，并用方形柵格拓?fù)鋱D將其參數(shù)化。在得到的點(diǎn)坐標(biāo)文件(以下稱之為視域)中，兩個(gè)縱向點(diǎn)之間的參數(shù)化距離等于兩個(gè)水平點(diǎn)之間的參數(shù)化距離。
通過計(jì)算所有可能的視域?qū)ζ渲g相同的表面段可以得到Venn圖。兩個(gè)或多個(gè)視域之間的每個(gè)表面特性重疊區(qū)構(gòu)成了典型的Veun圖子集合。從這組視域中得到Venn圖的步驟包括找出所有可能的視域?qū)χg的交叉點(diǎn)，并進(jìn)行一次計(jì)算，這樣便可以相對于已采樣的其它視域中各視域內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)確定表面上該點(diǎn)處的元素。由此可隱含地得到Venn圖的標(biāo)準(zhǔn)子集合內(nèi)容。
點(diǎn)數(shù)據(jù)將因噪聲而產(chǎn)生，且其分辨率有限。為了確定一個(gè)視域中的每個(gè)點(diǎn)是否與另一視域中的一個(gè)點(diǎn)相匹配，必須進(jìn)行兩個(gè)測試，即空間鄰域測試和表面可見度測試。這兩個(gè)測試必須在兩個(gè)視域中的所有表面點(diǎn)上進(jìn)行。
用空間鄰域測試(SNT)檢查一個(gè)視域中的某個(gè)點(diǎn)與另一個(gè)視域中的表面片之間的歐幾里得距離相對于測量誤差是否足夠小以便確定它們是否屬于相同的三維鄰域。表面片的定義是局部性的，而且將它定義為由在其它視域的參數(shù)化柵格中一次轉(zhuǎn)換的點(diǎn)的三個(gè)最近鄰域形成的平面。
表面可見度測試(SVT)根據(jù)局部表面定向信息檢驗(yàn)一個(gè)視域中的表面片相對于另一個(gè)視域中的表面片是否可見。例如，如果兩個(gè)視域中的各組點(diǎn)具有滿足空間鄰域測試(SNT＝TRUE)的相同坐標(biāo)，那么各組點(diǎn)仍然屬于不同的表面，例如薄片的內(nèi)側(cè)面和外側(cè)面。SVT準(zhǔn)則包括測定與各組點(diǎn)相應(yīng)的表面垂線之間的角度；只有當(dāng)該角度小于90°時(shí)才滿足上述準(zhǔn)則(SVT＝TRUE)。
相對于一次逼近而言，那些SNT＝TRUE和SVT＝TRUE的點(diǎn)對不同的視域來說是共同的點(diǎn)。但是由于上述測試在近距離斷點(diǎn)例如邊緣和拐角處是不可靠的，所以上述測算并不是對標(biāo)準(zhǔn)子集合(即共同點(diǎn))的完整測算。
此外，這些初始測算可作為迭代區(qū)增長過程中的種子使用，這些種子一直擴(kuò)散到以陡峭間斷點(diǎn)象素的外形為標(biāo)志的邊界處。還必須用一致性準(zhǔn)則來防止孤立點(diǎn)自由生長?？梢詫⑦@個(gè)準(zhǔn)則定義為在擴(kuò)展區(qū)域中至少有50％的元素必須是SNT和SVT＝TRUE。區(qū)域增長算法基于修正的8鄰域團(tuán)點(diǎn)色彩算法?？梢圆粰z查給定視域中的兩個(gè)八連象素是否具有相同特性，而是檢查它們在兩個(gè)視域中是否被與種子區(qū)元素四連的階梯形連續(xù)象素的外形斷開。
當(dāng)從Vemn圖中抽取非冗余模型時(shí)，首先計(jì)算用于對每個(gè)Veun圖的標(biāo)準(zhǔn)子集合進(jìn)行模型化的一組三角形。然后將這些局部的三角形結(jié)合起來得到一個(gè)將物體模型化的完整的集合三角形。
把用常規(guī)格式得到的模型從步驟66輸出到步驟67。
步驟67文件格式轉(zhuǎn)換用完整的集合三角形模型作為文件格式轉(zhuǎn)換的輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個(gè)用適合于由大量三維軟件包顯示、操作和存儲的標(biāo)準(zhǔn)文件格式描述物體的文件，所述軟件包包含但不限于各種平臺上的CAD。
數(shù)據(jù)用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件格式進(jìn)行物體描繪由文件格式轉(zhuǎn)換應(yīng)用程序支持的共享三維文件格式包括Bezier曲線，B-樣條曲線和表面，B-Rep模型，結(jié)構(gòu)幾何學(xué)(CSG)和CSG樹，DXP幾何交換格式，初始圖形變換標(biāo)準(zhǔn)(IGES)(和變異-VDA-IS/VOA-FS)，非均勻有理B樣條(NURBS)，八元樹模型，和步長/Pdes。
將該數(shù)據(jù)輸出到CAD軟件包68。
可以把上述過程的部分或全部顯示在計(jì)算機(jī)的顯示器131上，特別是需要與表面部分相擬合的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移，這樣便可以由使用者進(jìn)行修正和調(diào)整。合適的計(jì)算機(jī)是圖形工作站或是高速個(gè)人計(jì)算機(jī)。
現(xiàn)在參見圖5，用所設(shè)定的與圖3所示優(yōu)選光學(xué)掃描裝置和加速度計(jì)以及陀螺儀相結(jié)合的掃描器件10對圖5中所示的物體1’(紙杯)進(jìn)行掃描。顯示出的物體表面上的第一掃描拐角(即因多面體反射鏡40轉(zhuǎn)動(dòng)而由水平掃描光束3’覆蓋的區(qū)域)為p、g、r、和s，而且應(yīng)注意的是這次掃描與下一次掃描t、u、v、w實(shí)際上是重疊的。在這兩次掃描的下方，在紙杯的表面上顯示出第二行的另兩次掃描，而且持有掃描器件10的操作者可確保兩行重疊。正如圖3所描述的那樣，連續(xù)掃描pqrs和tuvw之間的重疊是由于多面體反射鏡40相對于來自掃描裝置的投影光束量具有快速掃描頻率所致，所說的投影光束是從待測物體1’的表面上掃過的光束。而且，每次掃描的邊緣區(qū)(例如陰影線示出的掃描pgrs的區(qū)域)必然與下一次掃描的邊緣區(qū)相重疊。例如圖5中所示第一次的拐角r和s之間的邊緣區(qū)將與第二次掃描的拐角t和u之間的邊緣區(qū)相重疊。
而且，可以用圖4中的共同特征檢測器(COMMON FEATUREDETECTOR)在步驟64來觀察每個(gè)掃描文件的邊緣區(qū)重疊情況。最好是通過掃描器件10實(shí)時(shí)地產(chǎn)生掃描文件。換句話說，不是等到所有掃描文件都產(chǎn)生后再查看每個(gè)可能的掃描文件之間的重疊區(qū)，而是由步驟64查看連續(xù)產(chǎn)生的掃描文件區(qū)域(特別是邊緣區(qū))之間的重疊區(qū)。
此外，很顯然，如果掃描器件10上帶有慣性檢測器，例如加速度計(jì)和陀螺儀。那么就可以通過對該慣性檢測器的輸出信號進(jìn)行處理來確定在物體1’表面上的掃描速度和運(yùn)動(dòng)方向，并由此預(yù)測連續(xù)掃描文件重疊的精確區(qū)域。即使是省略慣性測量器，也可以根據(jù)共同特征在其掃描文件中的位置得出首先進(jìn)行的兩次掃描之間的運(yùn)動(dòng)速度和/或方向，并用該結(jié)果進(jìn)行一次逼近后，預(yù)測在其后進(jìn)行的兩次掃描中將要重疊的區(qū)域，因此共同特征檢測器(COMMON FEATURE DETECTOR)步驟將僅觀察該區(qū)域中的共同特征。在這些實(shí)施例中大大地減少了識別連續(xù)掃描文件中的共同點(diǎn)所需的處理過程，而且使這些過程易于實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)。
在掃描期間可以考慮重新裝入加速度計(jì)和陀螺儀并且為此而設(shè)置了對接站100，在掃描期間掃描器件可以周期性地返回到該對接站。如果每次掃描都是從把掃描器件從對接站中取出開始，則能夠減小由加速度計(jì)和陀螺儀引起的累積誤差。此外，在對物體1’進(jìn)行掃描之前可以先掃描一個(gè)具有已知尺寸和形狀的參考物體200并用其來校正系統(tǒng)。
原則上可建立一個(gè)確定物體1’完整表面的文件，并保證在借助來自掃描器件的投影圖形對整個(gè)物體表面進(jìn)行掃描的同時(shí)，將物體保持在掃描器件10的光電檢測器34’的視域內(nèi)。但這并不總是切實(shí)可行的，通常容易做到的是把確定物體部分表面的連續(xù)文件結(jié)合起來形成組合的掃描文件，并重復(fù)該過程形成其它的組合文件，然后在掃描過程結(jié)束時(shí)借助圖4中的步驟64和65把各組合掃描文件結(jié)合起來形成完整的表面描述。
此外，如果按預(yù)定順序(例如搜索順序)以串行方式或其它能將信息保存在其掃描位置上的方式從步驟47(圖3)中讀出所有點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，則可以簡化圖4中的表面擬合步驟62。從這種信息中可以識別出每個(gè)點(diǎn)的最近鄰域，而不需要計(jì)算所有各對點(diǎn)之間的距離，因此通過把每個(gè)點(diǎn)與其最近的鄰域相連可建立起一個(gè)表面。假設(shè)圖4所示掃描裝置中光束3’的掃描角比較小，那么得到的表面將近似等于矩形柵格上的投影。
而且很顯然，如果采用圖3所示的優(yōu)選掃描裝置可以省去上述圖4中所描述的多個(gè)用于尋找掃描表面部分共同特征的復(fù)雜過程。
此外，用原始的計(jì)算技術(shù)(如在K.E.Kinnear的“原始程序中的優(yōu)化(Advances in Genetic Programming)”和John.R.Koza的“原始程序II再生程序的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)”計(jì)算機(jī)科學(xué)系，斯坦福大學(xué)，斯坦福，加利福尼亞94305，中已有描述，該文在此引用作為參考)或相關(guān)的模擬退火B(yǎng)oltzmann技術(shù)可得到操作上的優(yōu)點(diǎn)。在兩種情況下，利用從擬合準(zhǔn)則例如與連續(xù)域數(shù)據(jù)文件共有的最近特征點(diǎn)中(在大的數(shù)據(jù)組中)測得的結(jié)果，連續(xù)選擇那些產(chǎn)生最好擬合的子計(jì)算，并進(jìn)行多次重復(fù)從而把隨機(jī)因素引入到后續(xù)處理的計(jì)算中。從題為“快速路徑計(jì)劃的結(jié)構(gòu)空間中的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)，Lydia.E.Kavraki，計(jì)算機(jī)科學(xué)系，斯坦福大學(xué)，斯坦福，加利福尼亞94305”的第STAN-CS-TR-95-1935號報(bào)告描述的技術(shù)中能夠容易地得出數(shù)據(jù)文件在六維空間中重新定向和記錄的類似方法。
在這種情況下，參考圖6，其示出了兩個(gè)投影矩形格柵上的表面S1和S2，所述表面是從由圖4的掃描裝置輸出的連續(xù)掃描文件中得到的。至少要針對表面的重疊邊緣區(qū)計(jì)算由一個(gè)表面S2的四個(gè)鄰近點(diǎn)確定的法線N，然后a)計(jì)算沿每條與表面S2相交的法線距離，b)用通常的或其它交互式算法確定使這些相交距離總和最小所需要的三次轉(zhuǎn)動(dòng)和平移(相應(yīng)于最好的重疊)。這種技術(shù)不需要檢測間斷點(diǎn)或其它“特征點(diǎn)”。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是通過使用彩色CCD或類似的兩維彩色光電檢測器而不是目前的光電檢測器，在使激光器頻閃或使用寬帶光源的情況下以表面位置數(shù)據(jù)的形式瞬時(shí)俘獲彩色和紋理重疊信息。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例可以保留如圖1和圖2所示的慣性位置和姿態(tài)測量系統(tǒng)，但可以使用任何其它器件以確定相對于掃描器件的表面坐標(biāo)。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，可以將位置和姿態(tài)測量系統(tǒng)裝到待測物體上，而物體能繞固定的掃描裝置移動(dòng)，或是對另一個(gè)位置和姿態(tài)測量系統(tǒng)而言，除了將其裝在掃描器件上之外還可以將其裝到被掃描的物體上，從而使掃描物體和掃描器件都能自動(dòng)移動(dòng)。
此外，不必處理用于比較重疊表面的掃描文件便可記錄測得的掃描物體表面部分。而且，如果慣性測量器足夠精確的話，從慣性檢測器的輸出信號中完全能得出所需的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移可以用發(fā)光二極管代替作為光源的激光器28，也可以使用除光波長之外的其它波長，特別是I.R.波長。而且術(shù)語“光學(xué)的”是指廣義上包括符合光學(xué)定律的任何輻射體或裝置。
本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例采用了具有各種放大率的可控透鏡系統(tǒng)以便增大深度測量的動(dòng)態(tài)范圍。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例可以包括裝在計(jì)算機(jī)(47)中的密度、質(zhì)量和體積計(jì)算器。
如果掃描物體的表面具有較高的反射性和較高的透光性，那么使用慣性精細(xì)粉末例如指紋粉將是很有利的。
權(quán)利要求
1.用于確定物體(1)的形狀或其它三維表面特性的掃描裝置，該裝置包括可相對于所說物體自由移動(dòng)的掃描器件(10)，掃描器件包括a)用于把預(yù)定圖形投影到物體表面(2)的某個(gè)區(qū)域上的光學(xué)投影器(5)，和b)用于檢測所說區(qū)域的坐標(biāo)或其它表面特性并產(chǎn)生代表該坐標(biāo)或其它表面特性的輸出信號的光學(xué)檢測器(6)，所說掃描裝置進(jìn)一步包括c)聯(lián)接到檢測器上的處理器(25、26、27)，其產(chǎn)生一組代表所說物體表面掃描區(qū)(pgrs，tuvw)表面特性的輸出數(shù)據(jù)，d)聯(lián)接到所說處理器上的組合器(47)，其通過適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)動(dòng)和平移，把從對所說表面的重復(fù)掃描中得到的多組輸出數(shù)據(jù)合并成一組共用的輸出數(shù)據(jù)，所說組合器可選擇性地包括其它處理器(61-66)，這些處理器根據(jù)與所說表面共用區(qū)有關(guān)的各組輸出數(shù)據(jù)的子集合計(jì)算所說的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移，e)選擇性地設(shè)置慣性檢測器(50，51)，其檢測所說掃描器件對于所說物體的移動(dòng)，并產(chǎn)生代表該運(yùn)動(dòng)的輸出信號，和f)修正裝置(23，47，50，51)，其在各順序掃描之間修正所說掃描器件相對于所說物體的運(yùn)動(dòng)，所說修正裝置至少響應(yīng)下述信號之一ⅰ)從所說慣性檢測器(如果有的話)輸出的信號，ⅱ)來自所說另一個(gè)處理器(如果有的話)的輸出數(shù)據(jù)，該裝置還包括所說的慣性檢測裝置或另一個(gè)處理器，或同時(shí)包含兩者。
2.如權(quán)利要求1所述的掃描裝置，其中所說的組合器(47)包括a)用于記錄與重疊掃描共有的物體特征的裝置，和b)用于把所說各組輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到共同坐標(biāo)系的裝置，其中把在一次掃描中測得的特征疊加到在重疊掃描中測得的特征上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的掃描裝置，其中所說的位置檢測器包括a)由所說掃描器件(10)攜帶的慣性檢測器(50)，其產(chǎn)生表示所說掃描器件線性加速度的加速度數(shù)據(jù)，和b)響應(yīng)所說加速度數(shù)據(jù)的積分器(23)，其測定在各順序掃描之間所說掃描器件線性位置變化。
4.如權(quán)利要求3所述的掃描裝置，其中將所說的慣性檢測裝置(50)連接到當(dāng)測得的加速度超出預(yù)定范圍時(shí)禁止采集或處理所說輸出數(shù)據(jù)的裝置上。
5.如上述任一權(quán)利要求所述的掃描裝置，其中所說的位置檢測器包括裝在所說掃描器件上用來測定在各順序掃描之間掃描器件轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的慣性檢測器(51)。
6.如權(quán)利要求5所述的掃描裝置，其中將慣性檢測器(51)連接到當(dāng)測得的轉(zhuǎn)速超出預(yù)定范圍時(shí)禁止采集或處理所說輸出數(shù)據(jù)的裝置上。
7.如權(quán)利要求3-6中任一項(xiàng)所述的掃描裝置，其中所說的慣性檢測器(50，51)在每次掃描期間響應(yīng)所說掃描器件(10)的位置和姿態(tài)變化，而且要把該檢測器設(shè)計(jì)成能相對每次掃描期間位置/或姿態(tài)的變化對每組輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。
8.如權(quán)利要求3-7中任一項(xiàng)所述的掃描裝置，進(jìn)一步包括在相對于所說的物體(1)對所說坐標(biāo)進(jìn)行光學(xué)檢測時(shí)，把測得的所說區(qū)域表面坐標(biāo)與描述所說掃描器件(10)的姿態(tài)和/或位置的姿態(tài)和/或位置數(shù)據(jù)聯(lián)系起來的裝置(25)。
9.如上述任一權(quán)利要求所述的掃描裝置，其中所說的掃描器件(10)帶有多個(gè)慣性檢測器(50，51)以檢測所說掃描器件沿三個(gè)相互垂直軸的位置變化和所說掃描器件繞三個(gè)相互垂直軸的方位角變化。
10.如上述任一權(quán)利要求所述的掃描裝置，其中所說的光檢測器(6)包括a)對所說圖形的兩維位置敏感的檢測器(34)，和b)成象裝置(33)，其在所說檢測器上形成包含所說區(qū)域的所說圖形的交叉象。
11.如權(quán)利要求10所述的掃描裝置，其中所說的光學(xué)投影器(5)包括把光射線投影到所說區(qū)域的裝置(29，30)，所說的裝置(29，30)沿第一軸線與所說檢測器(6)彼此分離，所說的光射線實(shí)際上垂直于所說第一軸線。
12.如權(quán)利要求10所述的掃描裝置，其中所說的光學(xué)投影器(5)包括用于把光射線的兩維圖形投影到所說區(qū)域上的裝置。
13.如權(quán)利要求10-12中任一項(xiàng)所述的掃描裝置，其中所說的光檢測器(6)包括對所說掃描器件(10)給出的光學(xué)圖形進(jìn)行掃描的掃描器(40)。
14.如權(quán)利要求10-13中任一頂所述的掃描裝置，其中所說的光學(xué)投影器(5)包括掃描裝置(300)，掃描裝置(300)至少在相對于所說掃描器件(10)的一個(gè)方向上通過掃描光束產(chǎn)生所說的光學(xué)圖形。
15.如權(quán)利要求10-14中任一項(xiàng)所述的掃描裝置，其中所說的檢測器(34)相對于所說成象裝置(33)的光軸是傾斜的。
16.如上述任一權(quán)利要求所述的掃描裝置，其中所說的光學(xué)檢測器(6)對所說物體(1)的表面顏色敏感，而且所說的輸出數(shù)據(jù)包括表示所說顏色的數(shù)據(jù)。
17.如上述任一權(quán)利要求所述的掃描裝置，該裝置與顯示裝置相連，以便顯示由組合的輸出數(shù)據(jù)確定的表面。
18.如上述任一權(quán)利要求所述的掃描裝置，該裝置與手動(dòng)輸入器件相連，以便有選擇地控制物體(1)不同掃描表面部分的組合。
19.如上述任一權(quán)利要求所述的掃描裝置，其中所說的組合器(47)包括以標(biāo)準(zhǔn)文件格式輸出所說物體坐標(biāo)數(shù)據(jù)的已編程微處理器(46)。
20.如上述任一權(quán)利要求所述的掃描裝置，其中所說的掃描器件(10)包括用于阻止采集或處理所說輸出數(shù)據(jù)的手動(dòng)操作開關(guān)(T)。
21.如權(quán)利要求3-9中任一項(xiàng)所述的掃描裝置，其中為掃描器件(10)設(shè)置了固定對接站(100)，所說慣性檢測裝置根據(jù)所說掃描器件在對接站上的對接狀態(tài)重新設(shè)置所說的修正器(23，47，50，51)。
22.利用掃描器件(10)測定物體(1)的形狀或其它三維表面特性的方法，其中所說掃描器件可相對于物體自由移動(dòng)，所說方法包括以下步驟i)把預(yù)定光學(xué)圖形從掃描器件投影到物體的表面區(qū)域上，ii)用裝在所說掃描器件上的光字檢測器(6)光學(xué)地檢測所說區(qū)域的坐標(biāo)或其它表面特性，iii)得出表示所說區(qū)域的所說坐標(biāo)和其它表面特性的一組輸出數(shù)據(jù)，iv)以重疊的方式對整個(gè)物體上的所說光學(xué)圖形進(jìn)行反復(fù)掃描并從重疊掃描中得出其它各組輸出數(shù)據(jù)，和v)通過用慣性檢測器(50，51)檢測所說掃描器件相對于所說物體的運(yùn)動(dòng)，或是通過測定把與和各組數(shù)據(jù)共有的所說表面區(qū)有關(guān)的各組輸出數(shù)據(jù)的子集合相疊加所需的轉(zhuǎn)動(dòng)和/或平移來修正所說掃描器件在各順序掃描之間相對于所說物體運(yùn)動(dòng)的各組輸出數(shù)據(jù)。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中所說的掃描器件(10)是手持的。
24.如權(quán)利要求22或23所述的方法，其中在連續(xù)采集各組數(shù)據(jù)之間測定轉(zhuǎn)動(dòng)和/或平移。
25.如權(quán)利要求22-24中任一項(xiàng)所述的方法，其中對所說重疊掃描的預(yù)定區(qū)域進(jìn)行處理以確定重疊區(qū)。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中根據(jù)表示光學(xué)圖形在物體(1)的整個(gè)表面上移動(dòng)的速度和/或方向的數(shù)據(jù)來確定所說的預(yù)定區(qū)域。
27.如權(quán)利要求22-26中任一項(xiàng)所述的方法，其中用迭代計(jì)算法來確定所說的轉(zhuǎn)動(dòng)和/或平移。
28.如權(quán)利要求22-27中任一項(xiàng)所述的方法，其中在不同的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移條件下產(chǎn)生掃描表面區(qū)(S1)的法線(N)，并測定沿法線與其它表面區(qū)(S2)相交的距離。
29.如權(quán)利要求22-27中任一項(xiàng)所述的方法，其中對各次掃描的表面特性組進(jìn)行識別和比較以確定所說的轉(zhuǎn)動(dòng)和/或平移。
30.如權(quán)利要求20-29中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過掃描已知形狀的物體對所說的掃描器件進(jìn)行校正。
全文摘要
一種掃描裝置，其包括把兩維光學(xué)圖形投影到掃描物體表面(35)上的器件(40)和一個(gè)兩維光電檢測器(34’)，該掃描裝置被裝到手持掃描器件中，該掃描裝置輸出物體重疊表面區(qū)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件。通過計(jì)算機(jī)中的適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)和平移，可以將由這些掃描文件確定的表面部分記錄下來，所述的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移是根據(jù)陀螺儀(51)和加速度計(jì)(50)的輸出確定的，或是通過表面部分的數(shù)學(xué)處理例如共同特征的檢測和定位來確定。
文檔編號G01C3/08GK1163661SQ95194680
公開日1997年10月29日 申請日期1995年8月22日 優(yōu)先權(quán)日1994年8月24日
發(fā)明者C·P·弗洛克哈特, G·R·J·福勒 申請人:特里科達(dá)技術(shù)公開有限公司