專利名稱：檢測三維表面空間結(jié)構(gòu)的過程的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與通過把圖形投射在沿定義為第一軸的投射方向的表面上，并通過投射在表面上的至少一個區(qū)域的圖形的象素方式檢測，檢測三維表面空間結(jié)構(gòu)的過程有關(guān)，該過程借助于沿定義為第二軸的一個或多個傳感器的觀察方向上的一個或多個傳感器，其中第一和第二軸(或平行第二軸的直線)的交角不為0°，以致第一和第二軸(或平行第二軸的直線)定義一個三角測量平面，其中通過傳感器(多個傳感器)可以檢測的變化物理參數(shù)，至少在垂直于第一軸的平面的投射中定義該圖形，而且，其中圖形是如此的，致使設(shè)想物理地測量的參數(shù)的差至少為兩個不同值，所述參數(shù)是在預(yù)定圖象象素或象素組之間沿最好是平行于三角測量平面的預(yù)定象素行而測量的。
作為一個例子，從第5615003號美國專利知道了這樣的過程。
在該專利說明中特別揭示的圖形與條形碼有高度的相似性，所述條形碼已經(jīng)長期應(yīng)用于例如零售貿(mào)易，例如，用于以識別貨物和價格，其中不同寬度的行或條形的順序確定一系列二進(jìn)制數(shù)，這些數(shù)清楚地與例如貨物和它的價格相關(guān)聯(lián)。然而為了檢測三維表面空間結(jié)構(gòu)的目的，根據(jù)所包含的表面的有關(guān)特定結(jié)構(gòu)而且通過器件和測量來辨別已知過程，使在那種條形之間的條形寬度和間隔畸變，雖然由于畸變效應(yīng)，上述這些器件和測量允許識別條形圖形的給定區(qū)域，以致可以把第一畸變圖形適配到經(jīng)投射的圖形，其中，這種適配的參數(shù)經(jīng)得起產(chǎn)生上述畸變效應(yīng)的表面的結(jié)構(gòu)。
從德國專利申請第19638727號已知另一個使用編碼圖形的相似過程，有關(guān)過程不限于僅在一個方向上對圖形進(jìn)行編碼，而是由獨(dú)立的可分辨圖形元素組成，每個圖形元素分別具有相似的結(jié)構(gòu)和尺寸，其中，在相互垂直的方向上圖形元素還彼此交替地有差別。編碼圖形的特征是至少一部分給定最小尺寸的圖形不會在整個圖形表面的任意點(diǎn)上重復(fù)。即使嚴(yán)格地說不滿足該要求，這意味著只要圖形結(jié)構(gòu)的再現(xiàn)僅滿足于遠(yuǎn)離圖形表面，圖形結(jié)構(gòu)的再現(xiàn)也可以確定地產(chǎn)生，在進(jìn)行成象圖形結(jié)構(gòu)的估算時，在兩個隨機(jī)等同的圖形區(qū)域之間實(shí)際上特別無混淆的可能性。
然而所有以前的已知過程基本上都根據(jù)圖形識別的原理而工作，就是說通過計(jì)算實(shí)現(xiàn)的在畸變圖形上的平坦圖形的成象是從在非平坦表面的觀察方向上形成的。然而，根據(jù)空間程度或其它的表面組成，當(dāng)在成象步驟中可以改變經(jīng)投射的圖形元素的信息內(nèi)容時，在那方面總是發(fā)生問題。例如，如果待測量的和、會改變，并通過它定義圖形結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)包括圖形的顏色或獨(dú)立圖形元素的顏色，則通過本色表面的性能，可能干擾在經(jīng)投射的圖形中的顏色信息的描述，或甚至不可能描述。當(dāng)對圖形使用不同的行寬度時，在成象中的行寬度不但和在平行于三角測量平面的方向上的表面的傾斜有關(guān)，而且和目標(biāo)或表面相對于三角測量平面的垂直線的傾斜有關(guān)。這意味著根據(jù)不同寬度的行的投射，通過具有缺點(diǎn)組成的表面的空間程度性能，以寬度來表示例如在圖象中的窄行，相應(yīng)地在估算步驟中可能造成信息的不正確項(xiàng)，所述寬度是在經(jīng)投射的圖形中有寬度的行的圖象量度級的寬度。
此外，當(dāng)經(jīng)投射的圖形元素可以在圖象極度畸變的情況下再現(xiàn)時，編碼圖形(包含有差異的幾何組成的圖形元素)的估算把極高的要求強(qiáng)加于估算數(shù)據(jù)處理步驟。
與上述技術(shù)情況相比較，本發(fā)明的目的是提供檢測三維表面的空間結(jié)構(gòu)的過程，上述三維表面基本上與相對于三角測量平面的垂直線的各種傾斜無關(guān)，和其它的表面特性(所述表面特性與表面的空間程度無關(guān)，可能影響待測量的物理參數(shù))也無關(guān)。
為了估算成象的圖形結(jié)構(gòu)的目的，僅對在一個或多個象素行(最好平行于三角測量平面)的預(yù)定象素或預(yù)定象素組之間的物理參數(shù)的改變進(jìn)行檢測，并轉(zhuǎn)換成表面的空間坐標(biāo)而達(dá)到本目的。
在那方面，至少在平行于三角測量平面的分量中檢測物理參數(shù)的變化并轉(zhuǎn)換成空間坐標(biāo)。
最好僅在相鄰的象素或相鄰的象素組之間檢測待檢測圖形的物理測量參數(shù)的變化這個事實(shí)意味著當(dāng)通過相鄰的象素特別地成象或再現(xiàn)的表面區(qū)域一般具有相同的特性時，如同消除了特定的表面特性。相對于三角測量平面的垂直線的表面傾斜也不影響檢測并可能識別圖形結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗皇窍鄬τ谒奶囟ǖ某叽绾托螤疃鴻z測的并和原始投射圖形相比較和與之適配的圖形，但是只對感興趣的，最好在預(yù)定的相鄰象素或象素組中測量的物理參數(shù)進(jìn)行相互比較，更具體地，通過形成它們的差異而進(jìn)行比較。然后在該情況中簡單地從物理參數(shù)中的特征變化的基礎(chǔ)上產(chǎn)生具體的成象圖形，從給定象素到其它預(yù)定象素，特別是它們的相鄰的象素，或從給定象素組到其它預(yù)定并最好是相鄰的象素組，或待一起比較的象素的另外的合適順序來得到所述物理參數(shù)的特征變化。
根據(jù)本發(fā)明，在圖象象素中檢測和再現(xiàn)的，具體估算的物理參數(shù)值的變化可以設(shè)想至少兩個不同的值，這些可以從一個象素到另一個象素或從一個象素組到另一個象素組的相應(yīng)于變化的不同值使之使得有可能定義和識別結(jié)構(gòu)而不需要在那方面起作用的表面的特定特性。
在象素或象素組沿其進(jìn)行相互比較的一個預(yù)定測量方向上，希望圖形是如此地取向，使相對于至少一部分量的變化值為最大，而發(fā)生的其它變化值相對于量比較小或是0值。
在本發(fā)明的一個較佳的變型中，把在一列以相互重疊關(guān)系放置的，在列方向上相鄰的象素行的相應(yīng)的多個象素組成象素組，并在這種象素組(所述象素組在行的方向上相相鄰)的相應(yīng)的每一個象素之間估算物理參數(shù)的變化。然而，也可以比較相鄰的象素組，所述相鄰的象素組的每一個包括多個在行的方向上以并置關(guān)系放置的象素。在該組成的一個變型中，從多個行組成相應(yīng)組的象素也可以相對于彼此而移動，就是說，它們可以起源于最好是彼此緊密接近的不同的列。
因?yàn)榘堰@些術(shù)語應(yīng)用于本應(yīng)用的范圍內(nèi)，所以可以進(jìn)一步理解圖象傳感器或圖象的象素的“行”和“列”不是必須沿相互垂直交叉的直線延伸。
在本發(fā)明的一個特定的較佳實(shí)施例中，圖形是編碼圖形的形式，不準(zhǔn)備嚴(yán)格地說明該方面的要求。
希望圖形結(jié)構(gòu)與總的圖形程度相比是相當(dāng)?shù)匦〉?，還有最小的表面區(qū)域(所述表面區(qū)域具有不進(jìn)行再現(xiàn)的圖形結(jié)構(gòu))尺寸與圖形的總表面區(qū)域相比應(yīng)盡可能地小，這樣，可以合適而正確地使相應(yīng)的清晰識別圖形結(jié)構(gòu)定位。然而在許多使用情況中，也可以在足夠大的空間發(fā)生圖形再現(xiàn)。
在本發(fā)明的又一個較佳實(shí)施例中，通過獨(dú)立的圖形元素形成圖形，這些元件的每一個在垂直于投射方向的平面中占有近似相等的面積。獨(dú)立元件的相等尺寸表面區(qū)域促進(jìn)估算步驟，例如，如果特別地宣告從一個圖形元素到另一個圖形元素的變遷并因此而清楚地檢測到，或如果獨(dú)立圖形元素的給定區(qū)域具有待測物理參數(shù)的基本改變而因此作為可以較好地定位的圖形識別點(diǎn)。
在這方面的一個本發(fā)明的較佳實(shí)施例中至少有兩類圖形元素，在圖形元素的區(qū)域中物理參數(shù)相應(yīng)地是恒定水平或恒定值，其中清晰測量相應(yīng)考慮的物理參數(shù)值在兩個類型的圖形元素之間有所不同。這樣，很可能容易地建立的第一類型的圖形元素到第二類型的圖形元素的變遷，反之亦然。設(shè)想在相鄰的象素或象素組之間形成的差異是值0，考慮那種類型的圖形元素，如果待比較的象素或象素組在同一個圖形元素內(nèi)，并設(shè)想當(dāng)一個象素或一個象素組形成兩個圖形元素之一的圖象，而相鄰的象素或相鄰的象素組對相應(yīng)的其它圖形元素也這么做時，清晰測量的分辨值在兩類圖形元素之間。這樣，相應(yīng)的清晰測量變化發(fā)生在從一個圖形元素變遷到另一個圖形元素處，而且在這方面還有用于圖形識別的測量點(diǎn)以及這種變遷的位置。即使在經(jīng)投射的圖形區(qū)域中所研究的項(xiàng)目的表面特性大大地變化以致在表面上的不同的位置處但是相同的圖形元素之間的相同變遷清楚地示出不同的差異，而且不把它識別為相似的變遷，因?yàn)樵趦煞N情況中的差異始終清楚地與其它所發(fā)生的差值不同(例如差值0)。
此外，在本發(fā)明的一個較佳實(shí)施例中，提供至少一類和至少又一類相應(yīng)的圖形元素，在它的表面區(qū)域中，待檢測的物理參數(shù)值在預(yù)定的方向上連續(xù)地變化。通過該類圖形元素，相鄰的象素或象素組之間的物理參數(shù)的變化一般相對較小，而由于在該圖形元素的區(qū)域中或子區(qū)域中的物理參數(shù)連續(xù)變化，在所有相鄰的象素或象素組之間的那些變化值分別相等。即使僅變遷到另一個圖形元素或如果到達(dá)圖形元素的區(qū)域，其中在該區(qū)域中物理參數(shù)不再根據(jù)以前確定的規(guī)則連續(xù)地變化，則可能在相鄰的象素或象素組之間發(fā)生相應(yīng)于物理參數(shù)的較大的差異，該差異本身又是圖形的給定區(qū)域的特征。
本發(fā)明在這一方面的較佳實(shí)施例獨(dú)立中，提供兩類如此的圖形元素，在這些圖形元素的至少一個子區(qū)域內(nèi)具有物理參數(shù)的連續(xù)變化，其中，這兩類彼此的差異在于，在預(yù)定的方向上，相應(yīng)于相鄰的象素或象素組的逐步比較，物理測量參數(shù)變化的符號精確地反向。在所討論的第一類圖形元素的表面區(qū)域中，因?yàn)樵诿恳磺闆r中，感興趣的物理參數(shù)值從一個象素到另一個象素例如增加相同值，而對于另一個類型的圖形元素，在每一情況中，該值從一個象素到另一個象素降低相應(yīng)的量。
可以理解，在到相鄰的圖形元素的變遷中，在相鄰的象素或象素組之間的物理參數(shù)值可能發(fā)生較大的差異。
至少在區(qū)域狀態(tài)的方式中，具有物理參數(shù)變化的圖形元素或多或少地連續(xù)，對于變遷到相鄰的象素或象素組，使之可能在變遷到又一個圖形元素處得到在每一個情況中的相同方向上的物理參數(shù)的清楚的跳變，而對于以前確定的圖形元素類型，在它的表面區(qū)域內(nèi)，物理測量參數(shù)是相應(yīng)的恒定值，如果存在變化的話，通過在前面圖形元素中的物理參數(shù)值清楚地建立對于變遷到下一個圖形元素的變化的符號。
在這方面，可以容許地假定變化有兩個不同的值，根據(jù)從兩類圖形元素的哪一類發(fā)生到另一類的變遷，這兩個值通過它們的符號彼此有相應(yīng)的差異，但是在以前實(shí)施的物理測量參數(shù)值的正變化之后，對于那種類型的圖形元素，在變遷到下一個圖形元素處可能只有負(fù)的或無變化，反之亦然。對比之下，對于具有變化的圖形元素，所述變化是在區(qū)域狀態(tài)方式中的連續(xù)變化，但是在這些范圍之內(nèi)的相應(yīng)的相鄰的象素之間，所述變化相當(dāng)?shù)匦∫虼丝梢院雎裕盐锢韰?shù)值連續(xù)地重復(fù)地恢復(fù)到以前已經(jīng)得到的一個值，然后在變遷到下一個圖形元素處或還是在給定的圖形元素中突然地改變該值，在這方面，檢測突然變化作為圖形的特征結(jié)構(gòu)元件并包括一個給定的方向或給定的符號，其中，根據(jù)哪一個圖形元素的相應(yīng)類型是下一個要跟隨的，并且是下一個但是是一個，然后可以容易地跟隨包含相同符號或例如相反符號的變化。
可以理解，對于那類圖形元素的各種類型，如果把這些類型安排成在經(jīng)投射的圖形的表面上的編碼分布，那將是理想的，在這方面，已經(jīng)在上面討論過編碼分布的概念。編碼分布的較佳例子是各種類型的圖形元素在整個經(jīng)投射的表面上的簡單的隨機(jī)分布。在這方面特別好的是使用所有上面定義的圖形元素類型(就是說，在圖形的表面區(qū)域內(nèi)物理參數(shù)是相應(yīng)的恒定水平的那些圖形，還有包含其中物理參數(shù)相應(yīng)地連續(xù)變化的表面區(qū)域的那些圖形)來產(chǎn)生這種圖形。
希望在成象平面中的圖形元素的表面區(qū)域應(yīng)相應(yīng)于最大為m×n個象素?cái)?shù)，其中m和n各大于2，但是同時，m明顯地小于M而n明顯地小于N，M×N是經(jīng)檢測的或經(jīng)成象的圖象象素的總數(shù)。
在這方面進(jìn)一步希望，對于圖形編碼和圖形元素識別或圖形的特征區(qū)域，步驟只包括估算變化，所述變化大于在這些類型的圖形元素(所述圖形元素至少有一部分具有連續(xù)變化)中的相鄰的象素之間的變化。前面已經(jīng)提到過，與相鄰的圖形元素之間發(fā)生的相當(dāng)大的變化相比較，可以忽略沿相鄰的象素或象素組之間的區(qū)域發(fā)生的物理參數(shù)的小變化。
此外，在本發(fā)明的一個較佳實(shí)施例中，用相互成角度的三角測量平面執(zhí)行兩個測量步驟，其中，在兩個測量步驟中，三角測量平面最好相互成90度。
如果在圖形投射到一個基準(zhǔn)平面上時使在圖象轉(zhuǎn)換器上的圖形的行的成象基本上平行于圖象轉(zhuǎn)換器的行，則基本上促進(jìn)了圖象數(shù)據(jù)的估算。這里使用術(shù)語基準(zhǔn)平面來表示在下列方式中形成的平面(ⅰ)定義一輔助直線，它平行于投射單元的光軸而延伸，而且它和接收或記錄單元的光軸交叉，其中，根據(jù)本發(fā)明，把由直線和記錄單元的光軸定義的平面識別為“三角測量平面”；(ⅱ)形成記錄單元的光軸和輔助直線的平分角行作為基準(zhǔn)平面的垂直矢量(因此基準(zhǔn)平面垂直于三角測量平面)；(ⅲ)如此地安排基準(zhǔn)平面，使兩個光軸通過基準(zhǔn)平面處的點(diǎn)之間的間隔是最小。所述定義考慮這樣的事實(shí)，在一個實(shí)際的裝置中，兩個光軸將不是正確地交叉，即使在結(jié)構(gòu)上是這么打算的。如果現(xiàn)在圖形的行平行地延伸到三角測量平面，則這些行在圖象轉(zhuǎn)換器中的圖象將平行于圖象轉(zhuǎn)換器的行而延伸。在把圖形投射到不相應(yīng)于基準(zhǔn)平面的表面上時，平行度的偏離將很小，只有兩級。
這也是優(yōu)點(diǎn)，如果圖形是如此的而且以如此的方式來影響圖形的投射，在圖形投射到垂直于三角測量平面，具有同質(zhì)表面組成的平坦表面上時，則結(jié)果是一種以行組成的結(jié)構(gòu)，這些行平行于三角測量平面，并沿這些行發(fā)生上述特征的測量值的變化。
進(jìn)一步希望，如果(ⅰ)使用光束源和合適的光學(xué)手段把圖形投射到待測量的目標(biāo)上；(ⅱ)待投射的圖形是平坦的或有面積的組成，具有基本上相互垂直的，分別包含間距間隔的行和列，并在最后的間距間隔中安排不同的幾何元件，這些幾何元件在光學(xué)上是透明的、不透明的或部分透明的；(ⅲ)部分透明的元件的透明度在行的方向上從不透明到透明穩(wěn)定地增加或從透明到不透明穩(wěn)定地降低；(ⅳ)根據(jù)目標(biāo)的相互有關(guān)的表面段的經(jīng)投射的圖形的圖象記錄，以如此的方式在待投射的圖形中安排幾何元件，使在列的間距間隔中，在幾何元件之間，存在從透明到不透明或從不透明到透明的變化，以如此的方式，使在間距間隔柵網(wǎng)或列的光柵中分布在圖形上的變化大小的不同的符號可以確定與圖形的相應(yīng)投射部分的清楚的關(guān)聯(lián)；(ⅴ)通過合適的光學(xué)手段把至少一部分由目標(biāo)反射的輻射投射到平坦的CCD圖象轉(zhuǎn)換器，把該圖象轉(zhuǎn)換器的輻射檢測元件也組成行和列，從而把輻射轉(zhuǎn)換成電信號，而包含在該電信號中的是由目標(biāo)反射的經(jīng)投射的圖形的至少一部分分量的信息內(nèi)容；(ⅵ)用于圖形投射的光軸方向和用于在圖象轉(zhuǎn)換器上的目標(biāo)圖象信息的光軸方向彼此不同；(ⅶ)使待投射的圖形的行的取向平行于平面，該平面是由用于投射的光軸和用于使經(jīng)反射的輻射成象在圖象轉(zhuǎn)換器上的光軸所形成的；(ⅷ)把圖象轉(zhuǎn)換器的電信號轉(zhuǎn)換成分立數(shù)據(jù)并傳遞到一個處理和存儲數(shù)據(jù)的單元；(ⅸ)按平行于三角測量平面的行來估算圖象轉(zhuǎn)換器的輻射檢測元件的有關(guān)輻射強(qiáng)度變化大小的數(shù)據(jù)；(ⅹ)根據(jù)變化大小的相應(yīng)符號，使基本上劇烈變化的最后的脈沖波前與二進(jìn)制信息元件0和1相關(guān)聯(lián)；以及(ⅹⅰ)最后的二進(jìn)制序列用來從圖形的其它部分辨別圖形部分。
例如，如果圖形(ⅰ)包括方格式的黑色和白色元件；(ⅱ)使用可見光和合適的光學(xué)手段把圖形投射到任何三維空間的白色目標(biāo)上；(ⅲ)在平坦圖象轉(zhuǎn)換器上使用合適的光學(xué)手段從目標(biāo)產(chǎn)生圖象；(ⅳ)投射方向與接收或記錄方向不同；(ⅴ)使圖象轉(zhuǎn)換器的信號數(shù)字化，在電子存儲器或存儲器件中進(jìn)行中間存儲，并饋送到數(shù)據(jù)處理單元；(ⅵ)以互相垂直的行和列組成圖象轉(zhuǎn)換器；(ⅶ)以如此的方式把圖形放置在投射裝置中，使方格式圖形的行沿圖象轉(zhuǎn)換器的行的方向延伸；(ⅷ)投射裝置，還有接收或記錄裝置兩者是如此組成和放置的，使三角形角度伸展到在圖象轉(zhuǎn)換器的列方向上的方格式圖形的圖象的記錄(換言之由三角形角度定義的平面在經(jīng)投射的圖形，還有圖象轉(zhuǎn)換器的列的方向上伸展)；(ⅸ)圖形元素的組成大于圖象轉(zhuǎn)換器的分辨率，然后，可以在圖象存儲器中找到表示圖象轉(zhuǎn)換器的行信息的值，它相應(yīng)于方格式圖形的白色和黑色元件的亮度值。如果(ⅹ)循著圖象轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)行來估算這些信息項(xiàng)，則結(jié)果是在相應(yīng)于經(jīng)投射的圖形的柵網(wǎng)或光柵的亮度信息項(xiàng)中的突然變化。在已知光束路徑的情況下，在亮度突然變化的空間關(guān)系中的偏離表示目標(biāo)的空間范圍，所述亮度突然變化是循著相對于相應(yīng)的經(jīng)投射的圖形的圖象行的。如果(ⅹⅰ)在觀察區(qū)域中的目標(biāo)是足夠地穩(wěn)定的，而且可以從投射方向和從接收或記錄方向兩者以光學(xué)方式進(jìn)行訪問，則行信息的序列交替地包括從亮到暗和從暗到亮的亮度突然變化。如果(ⅹⅱ)通過數(shù)字化步驟把亮度信息項(xiàng)表示成對亮度值具有相關(guān)比例的數(shù)字值；以及如果(ⅹⅲ)從給定位置處的相應(yīng)亮度值和跟隨行的方向的圖象位置的亮度信息之間的差來計(jì)算沿圖象轉(zhuǎn)換器的指定列的亮度變化，則交替地給出相應(yīng)于亮度變化大小的正值和負(fù)值。如果把值的分立序列解釋成亮度信號，則可能涉及該信號的正的或負(fù)的脈沖波前或邊緣。
在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，相應(yīng)于分立的圖形元素檢查圖象數(shù)據(jù)，以確定根據(jù)記錄是否可以不混淆地識別分立元件的信息內(nèi)容，所述圖象數(shù)據(jù)表示具有圖形元素的所述統(tǒng)計(jì)分布，因此具有相應(yīng)的編碼的經(jīng)投射的圖形。如果不能保證不混淆，則把相應(yīng)的圖形元素從進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理中排除。通過信號邊緣識別和估算，可以不混淆地識別的圖形元素在此后形成產(chǎn)生信息元件的基礎(chǔ)，而相鄰的不混淆識別信息元件屬于所謂的群集(cluster)。在本發(fā)明的檢測中的群集是一組相鄰的信息元件。對投射到目標(biāo)上的記錄圖形信息的經(jīng)解碼的項(xiàng)與待投射的圖形內(nèi)容進(jìn)行比較，使之有可能檢查信息的經(jīng)解碼項(xiàng)的似乎真實(shí)。如果在那種情況下發(fā)生偏離，則偏離信息元件是錯誤的并把它析出。如果相應(yīng)的信息元件在群集的邊緣，則產(chǎn)生合適的經(jīng)校正的界限。如果信息元件在群集的中間，則在某些情況下把群集分割開，而重新檢查相關(guān)的兩個最后不混淆的群集部分。如果較小的群集不能相關(guān)地不混淆，則所有相應(yīng)的元件是錯誤的，并把它們析出。相應(yīng)地，在群集中描繪相互有關(guān)的表面段，通過在相對于相互毗鄰的圖形元素中的群集中可以得到的信息內(nèi)容的性能，可以使所述表面段的經(jīng)投射的圖形的圖形元素不混淆地與相應(yīng)于在待投射的圖形中的圖形元素相關(guān)聯(lián)。例如，根據(jù)在圖象中的重心的位置或最后的邊緣或脈沖波前，對待投射的圖形中的安排進(jìn)行比較，有可能借助三角來計(jì)算作為目標(biāo)表面支持點(diǎn)的三維坐標(biāo)。根據(jù)本發(fā)明，可以有利地定義不安排成一列的三個相應(yīng)的相鄰支持點(diǎn)為三角形，因此作為三角形表面，以致不需要象在其它處理情況中那樣從一群點(diǎn)中取得表面。可以得到作為圖象信息項(xiàng)的分析和計(jì)算的結(jié)果，所述圖象信息項(xiàng)來自目標(biāo)的相互有關(guān)的表面段的獨(dú)立圖象數(shù)字化圖象，所述目標(biāo)是相應(yīng)于它們的組成而不混淆地確定的。然而，這些可能不是相互有關(guān)的段的已知術(shù)語為它們的三維位置并相對于彼此而取向。
從下面較佳實(shí)施例和附圖的描述將明了本發(fā)明的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)、特征和可能的應(yīng)用，其中

圖1示出來自經(jīng)編碼的圖形的一個組，并在其下面部分示出一個估算策略；圖2示出有圖形投射在其上的兩個彎曲表面的圖象；圖3示出從不同觀察方向的，有或沒有圖形投射在其上的人頭的圖象；在圖1的上方示出來自經(jīng)編碼的圖形的一個組，更具體地，在一個垂直于投射軸的平面中，并在下面區(qū)域示出根據(jù)本發(fā)明的估算程序提供的結(jié)構(gòu)。
示于圖1的圖形示出正方形的字段(square field)或8×8圖形元素的陣列，具有總共4個不同的圖形元素類型。同時，在成象的圖形下面還有圖象象素的柵網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，為了成象的目的可向其上投射相應(yīng)的圖形。可以看到，每個圖形元素占居8×5圖象象素的表面區(qū)域。在3×2圖形元素的左上區(qū)域內(nèi)可以辨別所有4個不同的圖形元素類型。通過舉例的方法，在這種情況中，可以使用象素的黑化度或每個包括5個相互疊置的象素的組的黑化度作為識別圖形結(jié)構(gòu)的物理測量參數(shù)。可以理解，可以相反地使用該圖形的負(fù)象，其中以白色表面替代黑色表面。
在圖1中最右上方處的圖形元素的情況下，左邊邊緣具有所出現(xiàn)的圖形的最大黑化度，然后從左到右黑化度連續(xù)地降低，并可以特別檢測一個象素在另一個上面的一個列中所有的5個象素元件的黑化度總和，這些象素元件落在該圖形元素的表面區(qū)域中。該圖形元素的5個象素組的第8組(把該組安排成在列中相互疊置的關(guān)系)不再具有任何黑化度而是完全白色的。除此之外，在右邊還有圖形元素3，在它的整個表面上它具有最大的黑化度。通過參考數(shù)1特別地識別圖形元素3 。
后面接著的圖形元素2基本上和圖形元素1相似，只有一個差異，即該圖形元素以行的方向安排的8個象素組的黑化度從左到右連續(xù)地增加，而在圖形元素1的情況下是連續(xù)地降低。
在圖形元素1的下面可以看到圖形元素4，它與圖形元素2的不同之處在于在它的整個表面區(qū)域上沒有黑化度。尤其，可以形成從白色到黑色的變遷或從黑色到白色的變遷的相鄰圖形元素之間的變遷是相應(yīng)于該圖形的特征，在這方面，在接著的圖形元素處，也可能使圖形元素1和3分別多次重復(fù)進(jìn)行從黑色到白色或從白色到黑色的相同的變遷。
現(xiàn)在將參考圖1中較下面的區(qū)域?qū)@進(jìn)行更詳細(xì)的描述。例如在圖1的上半部分中注意力集中在通過在圖形的圖形元素的第7排(從上面開始計(jì)數(shù))中的參考數(shù)8識別的象素行上。當(dāng)沿象素8的行從左到右進(jìn)行并記錄時，在圖1的較下面部分的行10中所示出的黑化度的變化就是其結(jié)果。首先，在象素的行8中，黑化度是最大值，然后在該排的第三到第四象素的變遷處黑化度突然變化成相應(yīng)于白色象素的最小值。接著的5個象素保持白色因此展現(xiàn)最小的黑化度，而在到該行的下一個圖形元素的變遷處，再次突然變化到最大黑化度。因?yàn)樵搱D形元素和前面一個是等同的，所以重復(fù)曲線組成。在下一個圖形元素的變遷處再次突然變化到最大黑化度，然而，然后還是保持不變直到變遷到完全出現(xiàn)白色的第四圖形元素。如在行10中所示，在它的表面區(qū)域中，展現(xiàn)黑化度的象素行8保持最小值。繼續(xù)下去的曲線組成和上述說明相似。
此外，如果在每個情況中都把從該排圖形元素的列的5個象素結(jié)合在一起，以及如果僅對黑化度建立一個門限值，在門限值以上曲線跳到最大值，在門限值之下假定是最小值，則也會出現(xiàn)根據(jù)行10的曲線組成。
以完全不同的方式得到直接在下面的曲線11。這相應(yīng)地再現(xiàn)在象素行的組中的5個相互疊置的象素的黑化度，在圖的上半部分中以參考數(shù)9識別上述象素行并且它定義一排圖形元素。最左邊是白色圖形元素4，以致在該圖形元素區(qū)域中的行11中相應(yīng)地指示最小的黑化度。然后跳到完全黑色的圖形元素，以致遍于第二圖形元素的區(qū)域中再現(xiàn)最大的黑化度。然后再次向下突變到?jīng)]有任何黑化度的白色象素列，但是，然后從一個象素列到另一個象素列連續(xù)地增加黑化度直到在第三圖形元素的末端處再次到達(dá)最大的黑化度。在第四圖形元素中重復(fù)該過程而第五個圖形元素再次相應(yīng)于第一個。第六圖形元素與第三和第四圖形元素的不同之處僅在于黑化度變化的符號，就是說，在第六元件的情況下，黑化度從最大值開始從左到右連續(xù)地降低到最小值。該排圖形元素的第七圖形元素與第二圖形元素相同，而第八圖形元素再次相應(yīng)于該排的第三和第四圖形元素。
在其下示出的行12表示該結(jié)構(gòu)的估算，也可以把它清楚地描述為示于圖11中的曲線的衍生物。更具體地，行12示出在圖形元素的排9中，兩個相繼的象素列的黑化度的相應(yīng)差異，其中每個所述象素列包括5個相互疊置的象素。當(dāng)在從純黑色象素列到純白色象素列的變遷或反之時，在從一個圖形元素到下一個圖形元素的相應(yīng)的變遷處，這些變化最大。在純白色或純黑色圖形元素內(nèi)或從純白色或純黑色到相似的圖形元素(即從圖形元素3到3或從4到4)的變遷處(這里沒有出現(xiàn)這種情況)，這些變化為0值，而在圖形元素的黑化度連續(xù)地從左到右變化的區(qū)域中，這些變化是相當(dāng)小的值。
如可以從曲線12看到，在從白色到黑色的變遷處出現(xiàn)曲線的向上偏轉(zhuǎn)，而在黑色到白色的變遷處出現(xiàn)曲線的向下偏轉(zhuǎn)。黑化度連續(xù)變化的圖形元素，更具體地，是三角形形狀的圖形元素，使之有可能相繼地出現(xiàn)多個正或負(fù)的峰，如可以從圖12看到，它促進(jìn)經(jīng)編碼的圖形的產(chǎn)生。
在行13中，僅由向上或向下的指示箭頭來替代在圖形元素變遷區(qū)域處的正和負(fù)的峰，而行14是這些箭頭方向或峰方向以數(shù)字1和0的形式的二進(jìn)制表示，其中，數(shù)字1表示正峰或指向上的箭頭，而數(shù)字0表示負(fù)峰或指向下的箭頭。這樣，可以以數(shù)字?jǐn)?shù)的形式，更具體地，以二進(jìn)制數(shù)的形式，方便地處理經(jīng)檢測的結(jié)構(gòu)。
圖3示出空間彎曲的表面，并在該表面上投射一圖形，其中，垂直于紙平面的方向是觀察方向，而圖形的投射方向相對于觀察方向傾斜一個三角形角度。假定所有可看到的圖形元素在原則上占居相同的表面區(qū)域，要注意這些圖形元素的形狀畸變較大的區(qū)域，例如在相應(yīng)于表面區(qū)域的水平方向上出現(xiàn)圖形元素的拉長的區(qū)域，而該表面區(qū)域相對于投射方向是嚴(yán)重地傾斜的，但是在觀察方向上的傾斜較小，而當(dāng)圖形元素相對明顯地接近在一起或出現(xiàn)在水平方向上的縮短時，情況明確地相反。在已知觀察方向和投射方向之間的相對角度的情況下，可能確定在空間中的每個表面區(qū)域的正確位置。同時圖2還清楚地展示一個特別的問題，該問題將和所示成象條件下的傳統(tǒng)圖形識別過程相對抗，但是通過本發(fā)明的過程已經(jīng)容易地制勝了該問題。更具體地，在形成表面圖象的情況下，光的入射是明顯地精確的，致使在可識別圖形的右面邊緣區(qū)域中明顯地發(fā)生反射，以致在該區(qū)域中的圖形看起來基本上比其余區(qū)域中的亮。圖2的下半部分示出上半部分圖形的負(fù)的表示，以致在這種情況下，圖形的右面區(qū)域基本上表現(xiàn)較暗。這使得用傳統(tǒng)的圖形識別過程對圖形進(jìn)行識別更為困難，甚至使之不可能進(jìn)行識別。然而，根據(jù)本發(fā)明，只檢測相鄰圖形元素之間的亮一暗邊界作為不混淆的定位點(diǎn)，并且在有反射干擾的區(qū)域中也仍安排這些亮一暗的變遷，而且始終可以清楚地識別，以致例如根據(jù)上述與圖1有關(guān)的估算步驟，通過數(shù)字0和1可以不混淆地識別它們。
圖3示出在檢測人臉的空間結(jié)構(gòu)的形式中的特殊應(yīng)用例子。圖3的左手部分以照片形式示出人臉的模型(一方面相對于臉上的對稱平面大約30度，另一方面相對于臉的對稱平面大約75度)，在右邊示出同一示圖，其中，有一圖形投影到該臉上。在這種情況下，投射方向在人臉的對稱平面中并且基本上是水平的。用三角角度(就是說在人臉的對稱平面和觀察方向之間的角度，即垂直于圖的平面的)的知識，加上實(shí)時圖形結(jié)構(gòu)(將在投射到垂直于投射方向的表面上產(chǎn)生)的知識，有可能根據(jù)在成象投射圖形中的獨(dú)立的亮一暗變遷的間隔，通過合適的估算算法手段來檢測并數(shù)字化地存儲人臉的表面的空間結(jié)構(gòu)。這又可以應(yīng)用于人識別的目的和/或醫(yī)藥的目的，作為例子，在計(jì)算機(jī)輔助的情況下最小一侵犯的外科手術(shù)。
權(quán)利要求
1．一種用于檢測三維表面空間結(jié)構(gòu)的過程，它通過把圖形沿定義為第一軸的投射方向投射在表面上，并借助于一個或多個傳感器在定義為第二軸的一個或多個傳感器的觀察方向上象素方式檢測投射在表面上的圖形的至少一個區(qū)域，其中所述第一和第二軸或平行第二軸的直線的交角不為0°，以致第一和第二軸或平行第二軸的直線定義一個三角測量平面，其中通過變化一個或多個傳感器可以檢測的物理參數(shù)，至少在垂直于第一軸的平面的投影中定義該圖形，而且，其中所述圖形是如此的，致使設(shè)想物理地測量的參數(shù)的差至少為兩個不同值，所述參數(shù)是在預(yù)定圖象象素或象素組之間沿最好是平行于三角測量平面的預(yù)定象素行而測量的，其特征在于，為了成象圖形結(jié)構(gòu)估算的目的，僅測量變化和把它成轉(zhuǎn)換成表面的空間坐標(biāo)，所述變化是在最好平行于三角測量平面的一個或多個象素行的預(yù)定象素或預(yù)定象素組之間的物理參數(shù)中的變化。
2．如權(quán)利要求1所述的過程，其特征在于，沿預(yù)定的方向確定各個相鄰象素或象素組之間的可物理測量的參數(shù)的差異。
3．如權(quán)利要求2所述的過程，其特征在于，圖形以如此的方式取向，致使沿一個方向發(fā)生的物理測量參數(shù)的變化假定為相當(dāng)于至少一部分差異量，所述差異量作為在成象圖形中任何相等一尺寸象素或象素組之間發(fā)生的最大值，其中假定沿該方向的其它變化具有比較低的值。
4．如權(quán)利要求1到3之一所述的過程，其特征在于，集合多個平行的象素行的象素以形成象素組，其中在列中以相互疊置關(guān)系安排所述象素，在這種相鄰象素組的相應(yīng)的象素組之間估算物理參數(shù)的變化。
5．如權(quán)利要求1到4所述的過程，其特征在于，所述圖形是經(jīng)編碼的圖形，其中適當(dāng)大小的各種圖形區(qū)域可以彼此區(qū)別，并相對于它們在整個圖形內(nèi)的位置而固定。
6．如權(quán)利要求1到5之一所述的過程，其特征在于，從圖形元素形成圖形，在垂直于投射方向的平面中，所述圖形元素的每一個占居近似地相等-大小的表面面積。
7．如權(quán)利要求6所述的過程，其特征在于，提供至少兩類圖形元素，在所述圖形元素的表面區(qū)域中，可測量的物理參數(shù)各自幾乎為恒定值，其中在兩類圖形元素之間清楚地測量的所述物理參數(shù)值存在差異。
8．如權(quán)利要求6或權(quán)利要求7所述的過程，其特征在于，提供至少一類圖形元素，至少在沿預(yù)定方向的所述圖形元素的一部分表面區(qū)域內(nèi)，在所述圖形元素中的物理參數(shù)值基本上連續(xù)地變化。
9．如權(quán)利要求8所述的過程，其特征在于，提供至少兩類圖形元素，所述圖形元素通過在圖形元素的表面區(qū)域內(nèi)并且沿預(yù)定方向的物理參數(shù)變化的符號而不同。
10．如權(quán)利要求5到9之一所述的過程，其特征在于，把各種類型的圖形元素安排成在經(jīng)投射的圖形的表面上的編碼分布。
11．如權(quán)利要求5到10之一所述的過程，其特征在于，在投射表面上使各種類型的圖形元素按隨機(jī)安排而分布。
12．如權(quán)利要求6到11之一所述的過程，其特征在于，在成象平面中的圖形元素的表面區(qū)域相應(yīng)于一個m×n象素的區(qū)域，其中m,n≥2，而m＜＜M和n＜＜N，其中M×N是所檢測的圖象象素的總數(shù)。
13．如權(quán)利要求5到12之一所述的過程，其特征在于，為了圖形編碼和圖形元素位置的識別，僅對一些變化進(jìn)行估算，所述一些變化大于在權(quán)利要求6和7中定義的圖形元素內(nèi)的相鄰象素或象素組之間的變化。
14．如權(quán)利要求1到13之一所述的過程，其特征在于，為了檢測三維表面的空間結(jié)構(gòu)，至少用彼此成角度的三角測量平面執(zhí)行兩個測量并組合在一起。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種方法,用于檢測三維表面的空間結(jié)構(gòu)。根據(jù)所述方法,將圖形沿定義了第一軸的投射方向投射到所述表面上,并且由象素檢測投射到不滿上的圖形的至少一個區(qū)域,使用沿所述傳感器處理的方向的一個或更多傳感器。所述處理方向定義了第二軸。第一軸和第二軸(或者平行于第二軸的直線)交角不同于0度,從而三角形平面。至少為了將投射到垂直于第一軸的平面,通過可以由傳感器檢測到的可變物理值定義圖形。
文檔編號G01B11/245GK1300360SQ99806074
公開日2001年6月20日 申請日期1999年4月29日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月14日
發(fā)明者R·羅伯特 申請人:奧拉麥崔克斯有限公司