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用于生成和評估圖像的方法
【專利摘要】本發明涉及一種利用光學傳感器、如相機來生成和評估對象的至少一個片段的圖像的方法。為了生成亮圖像，所述亮圖像不具有或在一定程度上不具有尤其是在相機和對象或要拍攝的片段之間進行相對運動時出現測量失真的不清晰性，提出：從至少一個片段拍攝單圖像，其中至少一些單圖像分別至少部分地重疊，并且為了生成圖像將所述單圖像或其信號相對于彼此對準，并且疊加成總圖像作為所述至少一個片段的圖像，其中對所述總圖像的評估基本上限于所述單圖像的重疊區域和/或對所述總圖像或其一部分的評估基于具有重疊區域的單圖像的所述重疊區域進行。
【專利說明】用于生成和評估圖像的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用光學傳感器、如相機生成和評估對象的至少一個片段的圖像的方法。
【背景技術】
[0002]為了提供低噪聲和高對比度的圖像來例如用于坐標測量技術以及其他【技術領域】中的圖像處理或者自動聚焦測量，需要調整相機處的相應積分時間。在坐標測量技術中，在所生成的照片處例如確定輪廓或輪廓點。為了這可以以最高精度進行，要優選盡可能清晰的成像。但是這樣做的前提是，在相機的積分時間期間，對象和相機不彼此移位。否則出現模糊效應，所述模糊效應影響輪廓位置確定時的精度。
[0003]為了避開所述問題，在現有技術中公知有如下方法:其中為相機選擇特別短的積分時間。但是在此的問題是，圖像是非常暗的并且因此是有噪聲的。為了嘗試避開這些缺點，可以操控光源短時間地在閃光運行中超過其持續負載。
[0004]由此可以實現較高的亮度。但是在特別快的運動和暗場景的情況下，這常常是不夠的，并且圖像要么過暗要么由此是有噪聲的，或者必須長時間地積分，以至于圖像不清晰性導致測量偏差。

【發明內容】

[0005]本發明所基于的任務在于，改進開頭提到類型的方法，使得避免現有技術的缺點，尤其是生成亮圖像，所述亮圖像不具有或在一定程度上不具有尤其是在相機和對象或要拍攝的片段之間進行相對運動時出現測量失真的不清晰性。
[0006]為了解決該任務，尤其是提出，從至少一個片段拍攝多個單圖像，并且為了生成圖像，將所述單圖像或其信號相對于所述至少一個片段彼此對準并且疊加成總圖像。
[0007]本發明尤其是規定一種解決方案，其特征在于，從一個片段或從多個片段拍攝單圖像，使得單圖像至少部分地重疊，并且為了生成圖像將所述單圖像或其信號相對于彼此對準并且疊加成總圖像作為所述一個或多個片段的圖像，其中為了評估總圖像考慮到所述單圖像的彼此重疊的區域。
[0008]本發明提出一種利用諸如相機的光學傳感器來生成和評估對象的至少一個片段的圖像的方法，其特征在于，從至少一個片段拍攝單圖像，其中至少一些單圖像分別至少部分地重疊，并且為了生成圖像將所述單圖像或其信號相對于彼此對準并且疊加成總圖像作為所述至少一個片段的圖像，其中對所述總圖像的評估基本上限于所述單圖像的重疊區域和/或對所述總圖像或其一部分的評估基于具有重疊區域的單圖像的所述重疊區域進行。
[0009]基于根據本發明的教導考慮到光學傳感器一下面在不限制保護范圍的情況下亦稱相機——與對象的所述至少一個片段之間在拍攝單圖像期間的位置改變，從而提供不具有運動不清晰性的亮圖像。
[0010]本發明因此涉及一種利用相機生成圖像的方法，其中從多個單圖像中在考慮到單照片之間的位置偏移的情況下原則上通過疊加來生成總圖像。
[0011]尤其是將多個單照片的強度疊加，以便生成亮的總圖像。由于物理上的限制在兩個單照片之間總是存在相機與所拍攝的測量對象區域之間的輕微位置移位，因此必須校正所述位置移位。
[0012]根據本發明，這可以通過如下方式來進行:在每個單照片處測量位置或者根據所拍攝的圖像研究相關性并由此計算位置偏差。
[0013]在下一步驟中，單照片根據其彼此位置偏差被移位到共同的位置并且優選地被移位到共同的像素柵格中。接著，進行灰度值幅度的疊加以形成疊加圖像。至少在橫向上給該圖像指派所選像素柵格的測量位置。在與圖像平面垂直的剩余的第三空間方向上，優選地分配疊加單照片的位置的平均。
[0014]這意味著，從與距離平面相距的距離值中計算平均值。如果圖像平面處于X — y平面中，則因此通過對單圖像的單Z值取平均來計算分配給該圖像或該總圖像的Z值。
[0015]根據本發明，從單圖像中生成具有所需亮度的和圖像而不出現運動不清晰性，使得對象的至少一個片段可以被評估并由此被測量。
[0016]所述單圖像——亦稱部分圖像——相對于對象的其中存在的同一片段彼此對準，以便生成和圖像，該和圖像是所述總圖像并由此是要生成的圖像。
[0017]從要測量的對象的至少一個片段中拍攝單圖像這一特征當然不排除檢測整個對象。
[0018]本發明涉及一種利用諸如相機的光學傳感器來生成圖像的方法，其中將基本上包含對象的同一片段、即包含最大部分疊加對象片段的多個單照片疊加，其中考慮單照片彼此的空間位置。
[0019]本發明的特征尤其是，借助于單照片的灰度值的相關性和/或借助于在每個單照片處確定的傳感器或相機位置來確定單照片彼此的空間位置。傳感器或相機位置例如從傳感器或相機被集成在其中的坐標測量設備的軸的位置中得出。
[0020]灰度值的相關這樣進行，使得形成最大的和值。該和值表示單圖像相對于至少一個片段的最大一致性，所述至少一個片段可以通過要疊加的單圖像的顯然的側向、也即橫向移位來實現。
[0021]本發明的特征在于，疊加通過將單照片的像素的強度或灰度值相加來進行。
[0022]在此可以規定:在疊加以前，單照片之間的空間位置偏移通過至少在單照片的圖像平面中的移位和/或旋轉被校正。
[0023]本發明的特征還在于，從單照片中生成圖像僅僅包含在所有單照片中都存在的重疊圖像片段。
[0024]但是有創造性的本發明還規定:為了評估總圖像考慮一個或多個單圖像的至少一個無重疊區域，并且為了評估所述無重疊區域，將其灰度值歸一化到單圖像的要評估的重疊區域的灰度值。
[0025]因此根據本發明，首先在確定和評估總圖像時考慮所有拍攝的單圖像，而與其是否重疊或是否檢測組件的相同或至少大部分相同的區域或片段無關。優選地在疊加存在多個單圖像的片段的圖像時，執行從單照片的疊加。針對其中僅僅存在一個單照片的片段，進行灰度值的相應加權，以便實現與在所疊加圖像情況下相同的總亮度。[0026]總的來說，本發明的特征還在于，要評估的區域的灰度值被歸一化、尤其是歸一化到與具有最大重疊的區域相對應的灰度值。
[0027]但是當各個區域被從評估中排除時也不偏離本發明。
[0028]從所有最終考慮的全部單圖像的總和中組合總圖像。對所述總圖像可以借助于圖像處理算法進行評估，例如確定邊緣或邊緣的距離或幾何特征。
[0029]優選地規定:片段的重疊區域小于100%、尤其是出于100%與10%之間、優選出于100%與50%之間。
[0030]根據本發明規定:所拍攝的單圖像的重疊區域優選小于相應單圖像的100%。
[0031]在一個優選的方法中，重疊為大致50，由此針對每個區域都可以進行各兩個單圖像的疊加。可替代地,重疊也可以較大、例如在60%和90%之間。由此每個區域疊加兩個以上圖像，由此可以實現更高的亮度以及由此更小的噪聲。因此，相機的更小的積分時間是可能的。然后，在重疊或取平均時通過進行相應縮放來考慮疊加圖像的數目。如果重疊區域小于50%，則產生其中提供重疊圖像的區域以及其中不是如此情況的區域。在沒有疊加圖像可用的區域中，亮度通過對灰度值進行縮放或加權來適應于疊加區域的亮度。
[0032]本發明的特征還在于，總圖像的大小大于單圖像的大小。
[0033]此外尤其是要強調，單圖像可以在對象的不同旋轉位置處被拍攝。因此，根據獨立的解決方案，單圖像在測量對象的不同旋轉位置處被拍攝。由此可能的是，拍攝測量對象的例如位于旋轉對稱組件的外殼面上的不同部分區域。同樣可能的是，與測量對象的橫向運動相組合以用于制定與單圖像相比在多個尺寸上擴大的總圖像。
[0034]本發明的特征還在于，可選地利用相機的檢測面的整個面或一個部分區域或多個部分區域，優選利用有限數目的行。
[0035]與現有技術相比，圖像重復率通過如下方式明顯提高:矩陣形檢測面、如相機的可用行和/或列的僅僅一部分被用于評估。
[0036]在此，例如可以實現大致300 - 400Hz的圖像重復率。尤其是在彎曲面處通過減少行或列而僅僅評估布置在所使用的成像光學器件的聚焦深度區域中的區域。
[0037]相應區域的選擇要么可以手動地通過固定預定義地給定測量窗口(例如在預先流程中或在制定測量程序的范圍內)進行和/或自動地在測量程序運行期間通過評估所拍攝的圖像的對比度和選擇超過對比度的預定義極限值的行來進行。
[0038]尤其是規定:部分區域分別通過矩陣形檢測面的有限數目的行和/或列來規定或確定。
[0039]根據本發明的教導使得能夠在記錄和/或處理光敏檢測面的僅僅部分區域的測量值時使用提高的測量頻率。
[0040]對于在實際測量之前定義要評估的部分區域特別合適的是固定預先給定該定義的窗口。所述窗口例如可以在測量程序制定的范圍內確定。在此，操作員要么手動地、要么借助于評估工具來定義測量窗口的包括要測量的部分區域或清晰成像區域的區域。要評估的部分區域在測量流程期間的、尤其是實時的改變可以通過確定整個圖像上的對比度來進行。在此，圖像的各個像素的對比度值的確定要么直接在傳感器中進行——如上所述簡化地并且在不限制根據本發明的教導的情況下亦稱相機——即無需將圖像傳送給主機計算機、要么直接在主機計算機的圖像處理軟件中進行。尤其是在主機計算機中評估對比度時，不是所有圖像、而是僅僅各個所選擇的圖像從相機完整地傳送和評估，以便允許盡可能高的測量頻率。在此的出發點是，圖像內的對比度值與相機的重復頻率相比明顯更慢地改變。
[0041]優選地規定:通過切換要評估的部分區域來進行對測量對象的位于所使用成像光學器件的聚焦深度區域中的區域的適應。
[0042]本發明尤其是規定:借助于組件的旋轉位置來確定單照片彼此的空間位置，并且優選地由于對象的彎曲而矯正單圖像。在組件的不同旋轉位置處拍攝單照片時，單圖像由于測量對象的彎曲而失真。在有創造性的特有思想中，對單圖像的所述彎曲進行矯正。借助于公知或幾乎公知的、例如預先輸入的組件表面的曲率半徑，圖像中的區域根據當前彎曲被矯正，其方式是將所拍攝的像素信息的橫向位置移位。在現有技術中也公知的這種對旋轉對稱的殼體面的展開在矯正以后首先導致不等距的像素柵格。這通過重新采樣被換算成等距像素柵格以用于進一步評估。
[0043]此外，本發明的特征還可以是，疊加通過單照片的按照位置彼此對應的像素的強度或灰度值取平均來進行，并且優選地得出的灰度值被分散開，這優選通過除法來進行，所述除法優選用如下因子:所述因子對應于所述總圖像中的對于像素來說最大地被用于疊加的灰度值數目。
[0044]通過該措施，使要評估的灰度值區域適應于共同的最大灰度值。
[0045]本發明的特征尤其是還在于，總圖像中的在疊加以后具有低于閾值的灰度值的區域保持未被考慮，其中該閾值優選地為最大灰度值的20%、特別優選10%。
[0046]總圖像中的其灰度值在疊加以后或由于還未進行疊加而低于例如為最大灰度值的例如20%或特別優選10%的閾值的區域在確定總圖像時未被考慮。由此，將具有低信噪比的區域從評估中排除。
[0047]此外要特別強調的是，在疊加時對如下區域進行加權:在所述區域中，用于疊加的單圖像至少之一存在于邊緣區域中。
[0048]在疊加時對如下區域進行加權:在所述區域中，用于疊加的單圖像至少之一存在于邊緣區域中。當疊加小于50%時，情況總是如此。在此，在所組合的疊加圖像中產生在其中可以進行疊加的區域、即單圖像的邊緣區域。而在單照片的中間區域中不存在疊加。因此，根據被用于疊加的圖像的數目，必須進行相應的加權以用于保證疊加圖像處的相同總亮度。
[0049]本發明的特征尤其是在于，在校正單照片之間的位置偏移以后，通過重新采樣將所有所使用的單照片的像素換算成共同的、優選等距的像素柵格，其中為每個目標像素優選地通過線性內插方法或取平均方法從周圍像素的灰度值中計算灰度值。
[0050]此外，根據本發明規定:通過重新采樣，可以與迄今為止公知地根據單圖像確定各個點相比計算出更高的橫向分辨率。通過單圖像疊加或重疊、即使用相同對象片段的多次拍攝的信息，可以利用這些冗余信息以便提高測量分辨率。尤其是規定:優選地通過使用重新采樣方法，將來自至少兩個單照片的關于圖片的至少一個區域的信息一起用于確定該圖像區域中的特征的位置，以便提高橫向分辨率。在此為所有像素位置從所有單區域或部分區域中確定結果得到的像素。
[0051]此外應當強調，優選地以比例如20毫秒的標準積分時間短的積分時間，特別優選地以積分時間〈5毫秒或〈I毫秒或〈0.5毫秒，直接彼此相繼地分別拍攝多個單照片。針對相應單照片的積分時間T應當為4 T <t、或者尤其是20 T ^ t、特別優選40 T ( t，其中t=標準積分時間。尤其是應當有1/50 t ^ T ^ 1/2 t成立。
[0052]根據本發明，與在其中通常拍攝一個圖像的積分時間相比，以更短的積分時間來評估單圖像。常見的標準積分時間可以處于20毫秒，以便保證可評估的對比度。但是應當將與此相關的值理解為純粹示例性的。尤其是規定:單圖像的總積分時間小于常見的標準積分時間。
[0053]本發明的特征尤其是一種利用光學傳感器、如相機來生成圖像的方法，其中給所述圖像分配積分時間1\6，其中以積分時間T1至1；拍攝的多個單照片被疊加，其中所有T1至1與T總相比以更短積分時間、如〈5 1118或〈I ms或〈0.5 ms被拍攝,其中單照片彼此的空間位置被確定并且在疊加時被考慮。
[0054]根據本發明的方法尤其是用于優選在坐標測量設備中確定對象點和/或測量對象的輪廓和/或度量，其中所述坐標測量設備提供了用于對象與相機之間的相對運動的裝置。
[0055]優選地規定:將用于生成圖像的所述方法用于自動聚焦測量，其與大致為0.3mm/s至0.lmm/s的標準運動速度相比優選地以提高的V >0.3 mm/s或V〉lmm/s或V〉3 mm/s的運動速度V來進行，或者所述方法用于在相機運動期間圖像處理測量的圖像生成。在自動聚焦測量時，主要是諸如相機的光學傳感器與測量對象之間的距離發生變化。
[0056]本發明獨創性的解決思想的特征在于，在自動聚焦測量中，在光學傳感器的光軸方向上拍攝單圖像，將彼此相繼的單圖像疊加并且劃分成組，其中每個組都形成用于自動聚焦測量的圖像，并且在考慮到可能存在的橫向偏移的情況下將全部單圖像相對于該對象彼此對準。
[0057]本發明所基于的教導`尤其是可以用在用于為自動聚焦測量生成圖像的方法中。在此，將測量對象的同一片段的至少兩個在光學傳感器的光軸方向上相鄰的單圖像或部分圖像疊加，其中單圖像的總數被劃分成組。因此，每組都形成用于自動聚焦測量的圖像或總圖像。為了疊加圖像，考慮測量對象的所拍攝片段的可能側向的、也即橫向的偏移。通過與此相關的教導，在自動聚焦測量時實現了短積分時間。最后尤其是得出如下優點，即避免了不清晰性并且使光學傳感器與測量對象之間在相機的積分時間期間的橫向、也即側向位置的偏移最小化。
[0058]在本發明的特有構型中，將通過為諸如相機的光學傳感器選擇短曝光時間來減小運動不清晰性的基本思想應用于自動聚焦測量。在此，與測量對象的所選照明條件或表面特性無關地，首先僅僅在光學傳感器在成像方向上的相對運動期間拍攝非常短地曝光的圖像，但是所述圖像由此是非常暗的。
[0059]疊加所具有的目標是，將部分圖像中的亮度、也即灰度值提高到合理的值，所述值例如對應于例如20ms的標準曝光時間時的值。在此有利的是，與以標準曝光時間被曝光的圖像相反，更短地曝光的圖像明顯更小地受到運動方向上、以及與運動方向橫切的方向上的運動的影響。給在運動方向上所拍攝的每個部分圖像都分配有在所有三個空間方向上的、也即在兩個橫向上以及一個近似處于運動方向上的方向上的位置。部分圖像的總和形成所謂的圖像堆疊。
[0060]根據本發明，在疊加以前，優選地通過重新采樣將所有部分圖像轉移到與運動方向橫切的共同的柵格中。由此產生部分圖像中的彼此對應的區域。
[0061]接著針對所產生的圖像堆疊的每個部分圖像并且針對每個部分區域、如各個像素或像素的關聯組分開地執行分別彼此對應的區域的灰度值的疊加。
[0062]由此利用相同數目的部分圖像產生新的圖像堆疊，其中所述部分圖像的像素現在包含更高的灰度值。該疊加也可以被稱為平滑化，其類似于平滑化的均值濾波器，由于其應用，輸入值的數目也保持不變。
[0063]針對每個部分圖像的每個部分區域，現在將在運動方向上相鄰的部分圖像的用于疊加的相對應部分區域的數目選擇為使得超過灰度值的閾值。由此保證了:所有部分圖像中的所有部分區域都對于例如通過形成對比度值以及評估運動方向上的最高對比度值的位置來合理地評估聚焦標準來說是足夠高的。該閾值有利地、但不必一定地對于所有部分圖像中的所有部分區域都是一樣大的、例如最大可能灰度值的30 %或50 %或70 %。但是在形成對比度值以前，必須歸一化到預先給定數目的疊加，因此部分區域的灰度值基本上對應于相同的曝光時間。
[0064]為了防止對根據本方法沿著運動方向改變的圖像對比度進行過強的取平均，用于疊加的部分圖像的數目或其所來源于的運動方向上的路徑受到限制。路徑限制例如可以相對于所使用的成像光學器件的聚焦深度來定義、例如定義到聚焦深度的100%、優選50%、特別優選20%或10%。
[0065]在一個特別的構型中，為了疊加而在正運動方向和負運動方向上選擇同樣多的相鄰部分圖像。通過在此產生的對稱性，給結果得到的部分區域在運動方向上的位置分配原來的部分區域在運動方向上的位置。可替代地，分配分別用于疊加的部分區域在運動方向上的位置的平均值或中值。
[0066]自動聚焦測量及其應用的原理例如可以從DE.Z.的文獻中得知=Multisensor-Koordinatenmesstechnik, Die Bibliothek der Technik, verlag moderne Industrie,第三版，2006 年，(ISBN- 10:3-937 889-51-5，ISBN- 13:978-3-937 889-51-1)第 26-27頁(Autofokus)和第 32 頁(3D-Patch))。
[0067]本發明的特征還在于，在拍攝要疊加的單照片的期間，接通優選閃光式的照明，其中單圖像拍攝、照明和對坐標測量設備的軸的位置的拍攝被同步為，使得針對每個單照片都存在確切的位置并且保證在每個單照片的積分時間期間照明都被接通。
[0068]最高測量速度可以通過如下方式實現:將根據本發明的方法與圖像處理掃描的方法或所謂的“飛速寫入(on-the-fly)”技術相組合，其中在測量對象運動期間進行圖像拍攝。在此，為了減少運動不清晰性，例如通過使用閃光式照明或快門來僅僅短時地曝光光學傳感器或相機的光敏檢測裝置。在此，借助于位置檢測裝置和光敏檢測裝置的測量值記錄，時間有限的曝光與關于光敏檢測裝置的當前工件位置的拍攝同步地進行。該方法尤其是在EP-B-1 286 134和W0-A-03/009070中予以了描述，其公開內容是本發明的主題。
[0069]相機優選地包含多個像素并且優選地為CXD或CMOS相機。
[0070]與此無關地，作為測量對象可以使用具有旋轉對稱和/或圓柱形構造的測量對象、尤其是支架。
[0071]為了測量旋轉對稱和/或圓柱形測量對象，尤其是使用旋轉軸和/或擺動軸。
[0072]在利用圖像處理和手動定位系統的對象測量中，必須首先通過手動地操作運動軸行進到要測量的位置。在到達該位置以后，圖像拍攝被觸發并且幾何特征被評估。DE-A-1O2009 044 099描述了該方法的擴展方案，其中不必中斷要測量位置處的定位，而是在運動中進行測量值記錄。這所具有的優點是，僅須粗略地行進到要測量的位置。
[0073]在根據公知方法的現有技術中，必須預先確定、也即已知要測量的位置。于是，必須在啟動一停止中或者在連續運行中由操作員手動地行進到該位置。操作員必須為此定向到該組件，這時常導致高時間成本。
[0074]因此，通過本發明還解決的任務是，以操作員友好的方式并且迅速地執行測量對象的幾何結構的確定。在此，尤其是應當檢測盡可能大的部分或者整個測量對象，而不必由操作員行進到預先確定的各位置。
[0075]本發明的該方面尤其是通過如下方式來解決:在由操作員相對于光學傳感器——亦稱圖像處理傳感器——任意地對測量對象執行定位期間拍攝并必要時評估圖像。該圖像拍攝要么在運動期間、要么在手動地定位過程停止時進行。在此，所使用的光學傳感器、如相機、尤其是CCD或CMOS相機定期地檢測圖像或僅僅檢測圖像內容的改變，這例如通過測量位置、照明、相機積分時間、時長的改變、或者閃光照明的時刻或者達到之前還未占據過的位置范圍時被觸發。與之前闡述的單圖像相對應并且根據本發明的教導被評估或評估的部分圖像中的至少一些在至少一個區域中重疊。
[0076]在定位結束以后，提供所選數目的單圖像以用于進一步評估。優選地通過重新采樣方法借助于內插或取平均算法，尤其是將多個單圖像——亦稱部分圖像——組合成總圖像。在此，部分圖像優選地在屏幕上顯示。這與定位并行地進行，由此操作員可以監視測量對象的已經經過的區域。必要時將已經檢測到的區域分別縮放到顯示單元的大小。尤其是當達到還不存在完整測量數據的位置、即當前被圖像處理傳感器拍攝的對象區域的一部分還未曾布置在圖像處理傳感器的測量區域中時，部分圖像被顯示并且被提供以用于進一步評估。這例如可以通過將已經選擇的圖像的位置和圖像與當前拍攝的圖像相比較來監視。在此，根據圖像處理傳感器的位置和測量區域(其由相機測量區域和所選成像物鏡構成)，確定測量對象的分別檢測的部分。
[0077]所述方法可以應用于主要為平面的工件區域以及基本旋轉對稱的工件區域。
[0078]在固定地布置在測量臺上的平坦工件的情況下，有利地首先借助于垂直調節將測量對象定位到圖像處理傳感器的清晰區域中。接著，借助于橫向軸驅動執行在工件平面中的手動定位，并且在此記錄位置和圖像。
[0079]在使用布置在機械旋轉軸處的旋轉對稱或基本旋轉對稱的工件的情況下，首先借助于運動軸進行精調，其中所述運動軸垂直于旋轉軸并且在圖像處理傳感器的光軸方向上延伸。接著，在將測量對象關于圖像處理傳感器的橫向定位與旋轉軸的旋轉運動相組合期間進行圖像拍攝。在此，所記錄的圖像在顯示單元上的顯示以展開的格式進行。
[0080]在將之前對應于單圖像的各個部分圖像組合成總圖像以后，該總圖像可用于進一步評估，例如用于識別和確定輪廓、邊緣或幾何特征。
[0081]根據本發明，圖像拍攝也可以在圖像處理傳感器與測量對象之間的相對運動時進行。在此，圖像拍攝通過圖像處理傳感器進行，并且通過手動運動軸的度量系統的位置記錄和對必要時使用的閃光式照明的激勵被同步，這通過觸發信號來控制。觸發信號例如在如下情況下生成:新的測量位置被占據，在該測量位置處通過圖像處理傳感器檢測測量對象的還未被測量的部分區域或者由于照明、相機的積分時間、閃光式照明的時長或時刻已經改變而圖像內容必然改變。可替代地，也可以由測量定時預先給定地定期拍攝圖像。
[0082]優選地將該方法用在坐標測量設備中。
[0083]本發明因此涉及一種用于借助于光學傳感器或圖像處理傳感器以及手動定位設備來確定測量對象的幾何結構的方法，其特征在于，在一個定位過程期間和/或多個定位過程之間自動地利用圖像處理傳感器拍攝單圖像，并且接著將所選單圖像組合成總圖像并且提供該總圖像以用于進一步評估。
[0084]尤其是規定:當測量對象的之前還未被完全檢測的區域被圖像處理傳感器檢測到時，選擇單圖像。
[0085]本發明的特征尤其還在于，光學傳感器、如相機、如CXD或CMOS相機，定期地和/或在定位裝置的位置改變時和/或在達到定位裝置的定位區域時和/或在照明改變時和/或在影響圖像拍攝和/或圖像內容的其他參數、例如相機的積分時間、閃光式照明的時長或時刻改變時拍攝單圖像。
[0086]還存在的可能性是，所選擇的單圖像輕微地重疊。
[0087]此外要強調的是，所選單圖像借助于重新采樣方法例如在使用內插或取平均方法的情況下被組合成總圖像并且被提供以用于進一步評估，并且優選地以展開形式針對旋轉對稱組件被顯示在顯示單元上，優選分別被縮放到顯示單元的大小。
[0088]本發明的特征還在于，通過如下方式來識別所拍攝的單圖像是否被選擇并且被提供以用于進一步評估:監視由度量系確定的、要手動操作的運動軸和/或由所述圖像處理傳感器拍攝的圖像內容的位置和/或位置的改變。
[0089]尤其是規定，所述監視包括確定以及在單圖像被選擇的情況下存儲分別拍攝的單圖像的位置和/或圖像內容以及與已經存在的位置和/或已經選擇的單圖像的圖像內容進行比較。
[0090]此外要強調的是，根據與已經存在的位置和/或已經選擇的圖像的圖像內容的比較，當所述單圖像的至少一部分檢測到所述測量對象的之前還未被檢測的區域時選擇單圖像，其中考慮所述光學傳感器的由諸如相機測量區域的傳感器和所選擇的成像物鏡構成的測量區域。
[0091]本發明的特征還在于，在將工件表面定位到所述光學傳感器的清晰區域中以后，將主要為平面的工件區域借助于橫軸以及將主要為旋轉對稱的工件區域附加地借助于機械旋轉軸定位到所述光學傳感器的測量區域中。
[0092]在有獨創性的改進方案中規定一種借助于圖像處理傳感器和手動定位設備來確定測量對象的幾何結構的方法，其特征在于，圖像拍攝在圖像處理傳感器與測量對象之間的相對運動時進行，其中通過所述光學傳感器的圖像拍攝和通過所述手動運動軸的度量系統的位置記錄以及優選通過觸發信號控制的閃光式照明同步地進行。
[0093]尤其是規定:將該方法用在坐標測量設備中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0094]本發明的另外的細節、優點和特征不僅從權利要求書、可從其中得知的特征本身和/或特征組合，而且還從下面對可從附圖中得知的優選實施例的描述中得出。[0095]附圖:
圖1示出了根據現有技術以標準積分時間拍攝的圖像；
圖2a) - c)示出了以比標準積分時間短的積分時間拍攝的單圖像；
圖3a) - c)示出了按照共同的像素柵格對準根據圖2的單圖像；
圖4a) - c)示出了根據圖3的限定于相同區域的經對準的單圖像；
圖5示出了通過疊加圖像4a) - c)的灰度值幅度所生成的總圖像；
圖6示出了組件的要測量的片段；
圖7示出了根據現有技術的所拍攝的相機圖像的位置；
圖8示出了來自圖7的單圖像及其組合；
圖9示出了另外的相機圖像在要確定的片段的區域中的分布；
圖10示出了來自圖9的單圖像；
圖11示出了來自圖7和圖9的單圖像的位置；
圖12示出了來自圖11的單圖像以及到總圖像的疊加；
圖13以原理圖示出了具有光敏檢測設備的測量裝置；
圖14示出了坐標測量設備的原理圖；
圖15示出了顯示單元的原理圖；
圖16示出了坐標測量設備在測量對象的第二位置處的原理圖；以及 圖17示出了總圖像的原理圖。
【具體實施方式】
[0096]圖1示出了不清晰的圖像，該圖像在測量對象(在此為對象邊緣)在相對長的積分時間(例如15或20毫秒的標準積分時間)期間相對于光學傳感器一如相機一或多或少運動時產生。這可以通過測量設備的振動以及故意地由于運動中的光學測量而被觸發。邊緣的位置、即圖像中的暗區域與亮區域之間的過渡的確定僅能以低精度進行。
[0097]圖2a)至c)示出了對象的幾乎相同的片段、尤其是與圖1中相同的對象邊緣的三個照片，這些照片是彼此緊密相繼、但以比20毫秒明顯更短、例如5毫秒的積分時間拍攝的。所述照片現在示出了清晰的邊緣成像、但由于較短積分時間而較暗的圖像。由于減小的亮度，對邊緣的識別有時是不可能的或者導致大的測量偏差。
[0098]圖3示出了根據本發明將單圖像a)至c)移位到共同的像素柵格上。在這種情況下，圖3b)的圖像的位置被選為參考。圖3a)因此示出了向右移位的圖2a)的圖像并且圖3c)示出了向左移位的圖2c)的圖像。該移位是基于分配給圖2a)至2c)的各圖像、由坐標測量設備確定的位置而執行的。可替代地或附加地，圖2a)至2c)的圖像之間的位置移位也可以利用相關方法來確定。為了能夠在后面的步驟中將像素的灰度值幅度相加，該移位按照精確相同的像素柵格上(在這種情況下為圖2b)或3b)的圖像的像素柵格)借助于重新采樣方法進行。圖3a)和c)的圖像的所示圖像區域被限制到根據圖3b)的圖像的大小。
[0099]圖4示出了根據本發明經移位的以及附加地限定于該區域的圖像，該圖像被包含在圖2a)至c)或3a)至c)的所有三個部分圖像中。
[0100]在圖5中，現在可以在最后的步驟中進行圖4a)至4c)的相應像素的灰度值幅度的疊加，并且得出對象或對象邊緣的清晰成像。在該成像處現在可以以非常高的精度進行邊緣識別或可替代地在自動聚焦方法的情況下進行亮度或對比度評估，因為圖5中的圖像的平均亮度對應于三個單圖像的加和亮度，也即在這種情況下等價于如下圖像:該圖像以15毫秒的積分時間被拍攝，但是不具有根據現有技術在標準積分時間的情況下在對象與傳感器之間相對運動時出現的圖像不清晰性。
[0101]類似于圖1至5中所述的以較短積分時間進行測量并且疊加以減小噪聲的方法，在圖6至12中進一步闡述一種方法，其中組合成總圖像的單照片僅僅部分疊加或完全不疊加。
[0102]圖6為此示出了一組件，該組件應當在由亮小塊表征的片段的區域中被光學檢測。
[0103]圖7示出了:這根據現有技術例如利用兩個單個的照片進行，其由代表第一照片的具有點線的矩形以及代表第二照片的具有劃線的矩形來表征。這兩個單照片在圖8a和b中示出。在合并成總圖像時產生圖Sc中所示的圖像。由于從圖8a和b中提供的單照片已經是以較小積分時間拍攝的，因此根據圖8c的所得出的圖像是相對暗的。
[0104]圖9示出了由三個白色矩形表征的、在圖像中的哪些部分區域處拍攝附加的圖像。所拍攝的單圖像在圖10a、b和c中示出。
[0105]圖11示出了在該示例中總共5個所拍攝的部分圖像，其由三個矩形和兩個點線或劃線矩形來表征。在此能夠認識到，單照片分別重疊50%。所得出的單照片在圖12a至12e中示出。圖像a和b、b和c、c和d、d和e之間的重疊分別為大致50%。如果將重疊區域的灰度值幅度相加，則針對存在重疊的區域得出圖12f中所示的總圖像。圖12a中的左半部和圖12e中所示單圖像的右半部未被用于評估，因為在此不存在重疊。可替代于此地，可以進行歸一化或縮放，在這種情況下在缺少的區域中將灰度值幅度加倍并且也將其用于總圖像。
[0106]該總圖像在圖12g中示出。可以認識到，源自圖12a的左半部和圖12e的右半部的區域具有較高的噪聲水平。
[0107]當組件表面彎曲時，也可以進行相同的處理方式。為此例如在組件的不同旋轉位置處確定單照片。如果圖像中的區域接著根據存在的彎曲被矯正，則在單照片重疊時產生通過重新采樣而為等距的點柵格，其優選用于例如圓柱形組件的外殼面的展開顯示。
[0108]圖6至12中所示的方法同樣在大于以及小于50%的重疊度的情況下是可行的。為此，為每個對象區域要么疊加多個圖像，這些圖像的灰度值幅度被相加，要么不進行灰度值的疊加和相應縮放。
[0109]圖13示出了亦稱成像系統910的光學傳感器(之前亦稱相機)，該光學傳感器與矩陣形光敏檢測設備911連接并且被用于測量安置在旋轉軸912處的旋轉形測量對象913。由于測量對象913的表面彎曲，在檢測設備911上分別僅僅清晰地顯示測量對象913的特征的一部分。取決于光學成像系統910的聚焦深度，例如僅僅在所定義的旋轉位置處清晰地成像特征914。因此，特征915例如在較早的旋轉步驟中被清晰成像，并且特征916在較晚的旋轉步驟中被清晰地成像。由于在該實施例中特征914被清晰成像并且由此可以按規定評估該特征914，因此足以評估檢測設備911的行917和918之間的檢測設備911區域并且將其傳送給評估設備。由此又可以實現檢測設備的明顯更高的重復率。
[0110]在該示例中，出發點可以是，測量對象913的被清晰成像的部分是以測量對象的相應同心性為前提的，位置固定地保持在光敏檢測設備911的圖像區域中。因此合理的是，在測量流程的編程期間定義測量窗口的固定位置。
[0111]在旋轉形測量對象913的所述測量方法情況下，還根據本發明的教導記錄單圖像，使得單圖像至少部分重疊，以便在評估時利用重疊的區域。
[0112]圖14純粹原理性地示出了坐標測量設備I以及第一位置處的測量對象4，所述坐標測量設備I具有圖像處理傳感器2、如相機、尤其是CCD或CMOS相機以及手動定位軸3。附圖標記5表示由圖像處理傳感器2在該位置處檢測到的測量對象4的區域。該區域首先以完整屏幕大小顯示在圖15中所示的顯示單元6上。
[0113]圖16在測量對象4的第二位置處示出了來自圖14的坐標測量設備。該位置通過操作員操作定位軸3的手動驅動裝置而被占據。現在，測量對象的區域7被圖像處理傳感器2檢測。根據經改變的測量對象位置(其由通過定位軸3的度量系統確定的位置的改變來顯示)識別到:測量對象4的還未被檢測的區域7被圖像處理傳感器2檢測，并且所拍攝的單圖像被選擇并且借助于重新采樣方法與區域5的已經被選擇的單圖像一起被組合成總圖像8。
[0114]圖17示出了由測量對象的區域5和7構成的總圖像8在顯示單元6上的顯示。該顯示以經縮放的方式進行，由此所有拍攝的區域都為可見的。
[0115]首先，總圖像僅僅由區域5和7構成，因為關于總圖像8的區域的另外的信息不存在。
[0116]可替代地，根據本發明，尤其是在定位軸3運動期間連續地利用圖像處理傳感器
2、即也在圖14的第一位置與圖16的第二位置之間的位置處拍攝圖像。所拍攝的圖像根據其位置被疊加并且逐塊地填充總圖像8。在運動期間所拍攝的圖像的最高圖像清晰度被實現，其方式是，僅僅短時間地曝光圖像處理傳感器的相機，并且通過根據本發明疊加部分圖像來實現所需的亮度。
【權利要求】
1.一種利用光學傳感器、如相機來生成和評估對象的至少一個片段的圖像的方法， 其特征在于， 從至少一個片段拍攝單圖像，所述單圖像中的至少一些單圖像分別至少部分地重疊，并且為了生成所述圖像將所述單圖像或其信號相對于彼此對準并且疊加成總圖像作為所述至少一個片段的圖像，其中對所述總圖像的評估基本上限于所述單圖像的重疊區域和/或對所述總圖像或其一部分的評估基于具有重疊區域的單圖像的所述重疊區域進行。
2.根據權利要求1所述的方法， 其特征在于， 從所述對象的多個片段拍攝單圖像，所述單圖像中的至少一些重疊。
3.根據權利要求1或2所述的方法， 其特征在于， 為了生成所述圖像考慮所述單照片彼此的空間位置。
4.根據前述權利要求至 少之一所述的方法， 其特征在于， 給所述圖像分配積分時間T,6，以積分時間T1,...，Tn拍攝η個單照片，所述T1,...，Tn分別≤T總，尤其是T1,...，1；分別〈5 ms、優選T1,...，1；分別〈1ms、特別優選地T1,...，Tn分別≤ 0.5ms，并且所述單圖像被疊加，其中單照片彼此的空間位置被確定并且在疊加時被考慮。
5.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 為了評估所述總圖像僅僅考慮所述單圖像的包含在所有單圖像中的區域。
6.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 為了評估所述總圖像，與可能的重疊無關地考慮全部單圖像。
7.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 為了評估所述總圖像，考慮一個或多個單圖像的至少一個無重疊區域，并且為了評估所述無重疊區域，將其灰度值歸一化到單圖像的要評估的重疊區域的灰度值。
8.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 要評估的區域的灰度值被歸一化，尤其是歸一化到與具有最大重疊的區域的灰度值相對應的灰度值。
9.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 所述總圖像的大小大于單圖像的大小。
10.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 所述片段的重疊區域小于100%，尤其是出于100%與10%之間，優選出于100%與50%之間。
11.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 借助于單照片的灰度值的相關性和/或借助于關于每個單照片確定的相機位置來確定所述單照片彼此的空間位置，其中所述相機位置優選地從坐標測量設備的軸位置中確定，所述相機優選地集成到所述坐標測量設備中。
12.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 所述單圖像在所述對象的不同旋轉位置處被拍攝。
13.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 借助于組件的旋轉位置來確定單照片彼此的空間位置，并且優選地由于所述對象的彎曲對所述單圖像進行矯正。
14.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 所述疊加通過將所述單照片的像素的強度或灰度值相加來進行。
15.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 所述疊加通過對所述單照片的按照位置彼此對應的像素的強度或灰度值取平均來進行，并且優選地得出的灰度值被分散開，這優選通過除法來進行，所述除法優選用如下因子:所述因子對應于所述總圖像中的對于像素來說最大地被用于疊加的灰度值數目。
16.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 在所述疊加之前，所述單照片之間的空間位置偏移通過至少在所述單照片的圖像平面中的移位和/或旋轉被校正。
17.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 從所述單照片中生成的圖像僅僅包含在所有單照片中都存在的重疊的圖像片段。
18.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 所述總圖像中的在疊加以后具有低于閾值的灰度值的區域保持未被考慮，其中所述閾值優選地為最大灰度值的20%、特別優選10%。
19.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 在疊加時對如下區域進行加權:在所述區域中，用于疊加的單圖像中的至少一個存在于邊緣區域中。
20.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 在校正所述單照片之間的位置偏移以后，通過重新采樣將所有使用的單照片的像素換算成共同的、優選等距的像素柵格，其中為每個目標像素優選地通過線性內插方法或取平均方法從周圍像素的灰度值中計算出灰度值。
21.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 優選地通過使用適用于所有單照片的不同像素位置的重新采樣方法，將源自至少兩個單照片的關于所述圖像的至少一個區域的信息共同地用于確定該圖像區域中的特征的位置。
22.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 以比例如20毫秒的標準積分時間短的積分時間T，尤其是以積分時間T〈5毫秒、優選T〈1毫秒、特別優選T〈0.5毫秒，直接彼此相繼地分別拍攝多個單照片，優選每個單照片。
23.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 將所述方法用于優選在坐標測量設備中確定對象點和/或測量對象的輪廓和/或度量，其中所述坐標測量設備提供了用于對象與光學傳感器之間的相對運動的裝置。
24.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 在自動聚焦測量中，在所述光學傳感器的光軸方向上拍攝單圖像，將彼此相繼的單圖像疊加并且劃分成組，其中每個組都形成用于自動聚焦測量的圖像，并且在考慮可能存在的側向偏移的情況下將全部單圖像相對于所述對象彼此對準。
25.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 所述部分圖像的疊加進行得，使得針對每個部分圖像和每個部分圖像的由一個或多個像素構成的每個部分區域，分開地選擇在運動方向上相鄰的部分圖像的用于疊加的相對應部分區域的數目，優選地使得每個部分圖像的每個部分區域的在所述疊加以后存在的灰度值分別超過優選共同的閾值并且優選地接著將所述灰度值根據疊加的數目歸一化。
26.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 為了疊加在正和負運動方向上選擇同樣多的相鄰部分圖像，并且給結果得到的部分區域在運動方向上的位置要么分配原始部分區域在運動方向上的位置、要么分配分別用于疊加的部分區域在運動方向上的位置的平均值或中值。
27.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 將用于生成圖像的所述方法用于自動聚焦測量，其與大致為0.3mm/s至0.lmm/s的標準運動速度相比優選地以提高的>0.3 mm/s或> lmm/s或> 3 mm/s的運動速度來進行，或者所述方法用于在相機運動期間圖像處理測量的圖像生成。
28.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 在拍攝要疊加的單照片期間，接通優選閃光式的照明，其中單圖片照片、照明和對所述坐標測量設備的軸的位置的拍攝被同步為，使得針對每個單照片都存在確切的位置，并且保證:在每個單照片的積分時間期間接通所述照明。
29.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 所述光學傳感器包含多個像素，并且優選地是CXD或CMOS相機。
30.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 可選地利用所述光學傳感器的檢測面的整個面或一個部分區域或多個部分區域，優選地利用有限數目的行。
31.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 作為測量對象使用具有旋轉對稱和/或圓柱形構造的測量對象、尤其是支架。
32.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 為了測量旋轉對稱和/或圓柱形的測量對象，使用旋轉軸和/或擺動軸。
33.在使用手動定位設備情況下的根據前述權利要求至少之一所述的方法，利用所述手動定位設備相對于光學傳感器調整要測量的對象， 其特征在于，` 在定位過程期間和/或在多個定位過程之間自動地利用所述光學傳感器拍攝單圖像，并且接著將所選擇的單圖像組合成總圖像并且將所述總圖像提供用于進一步評估。
34.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 當所述測量對象的之前還未被完全檢測的區域被所述光學傳感器檢測時，單圖像被選擇。
35.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 所述光學傳感器、尤其是相機、如CCD或CMOS相機，定期地和/或在所述定位設備的位置改變時和/或在達到所述定位設備的定位區域時和/或在所述照明改變時和/或在影響圖像拍攝和/或圖像內容的其他參數、例如所述光學傳感器的積分時間或者閃光式照明的時長或時刻改變時拍攝單圖像。
36.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 所選擇的單圖像重疊。
37.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 所選擇的單圖像借助于重新采樣方法例如在使用內插或取平均方法的情況下被組合成總圖像并且被提供以用于進一步評估，并且優選地以展開形式針對旋轉對稱組件被顯示在顯示單元上,優選分別被縮放為適應于所述顯示單元的大小。
38.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于，通過如下方式來識別單圖像是否被選擇并且被提供以用于進一步評估:監視由度量系確定的、要手動操作的運動軸和/或由所述圖像處理傳感器拍攝的圖像內容的位置和/或位置的改變。
39.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 所述監視包括確定以及在單圖像被選擇的情況下存儲分別拍攝的單圖像的位置和/或圖像內容以及與已經存在的位置和/或已經選擇的單圖像的圖像內容進行比較。
40.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 根據與已經存在的位置和/或已經選擇的圖像的圖像內容的比較，當所述單圖像的至少一部分檢測到所述測量對象的之前還未被檢測的區域時選擇單圖像，其中考慮所述光學傳感器的由諸如相機測量區域的傳感器和所選擇的成像物鏡構成的測量區域。
41.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 在將工件表面定位到所述光學傳感器的清晰區域中以后，將主要為平面的工件區域借助于橫軸以及將主要為旋轉對稱的工件區域附加地借助于機械旋轉軸定位到所述光學傳感器的測量區域中。
42.借助于光學傳`感器和手動定位設備來確定測量對象的幾何結構的、優選根據前述權利要求之一所述的方法， 其特征在于， 圖像拍攝在所述光學傳感器與所述測量對象之間的相對運動情況下進行，其中通過所述光學傳感器的圖像拍攝和通過所述手動運動軸的度量系統的位置記錄以及優選通過觸發信號控制的閃光式照明同步地進行。
43.根據前述權利要求至少之一所述的方法， 其特征在于， 將所述方法用在坐標測量設備中。
【文檔編號】G01B21/04GK103688530SQ201280035625
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年5月16日 優先權日:2011年5月17日
【發明者】R.克里斯托弗, I.施密特, P.溫克 申請人:沃思測量技術股份有限公司