高分辨率点图案制造技术

本发明专利技术包括一种用于使用结构光投射器和图像传感器来测量对象3D形状的系统，图像传感器诸如扫描仪或相机。结构光投射器将伪随机点图案“投射”到位于平面表面上的对象上。图像传感器捕获来自反射表面的对象的3D图像，并且确定对象的尺寸或形状。表面显示投射的点图案并且基于投射的点图案来定义网格。点图案包括分布在网格上的多个点，使得某个子窗口大小内的相邻各点为独特子图案。相邻各点相对于网格的一条轴线按照交错网格格式来布置。

【技术实现步骤摘要】
高分辨率点图案优先权申请的交叉引用本申请要求2015年11月19日提交的针对“aPatternforObjectDimensioning”的美国专利申请No.62/257,322的权益，据此通过引用将该美国专利申请以其整体并入本文。
本专利技术涉及用于提供非接触三维(3D)表面测量结果的3D感测系统。更具体地，3D感测系统和方法利用结构光照明和点图案以用于促进对象的3D表面测量。
技术介绍
通常来说，基于图案的结构光投射的3D感测连同图像传感器一起可以提供对象或形状的非接触3D表面测量结果。一些实施例中，图像传感器可以是相机。其他实施例中，图像传感器可以是扫描仪。已经产生关于该主题的很多出版物，其描述了大量空间和/或临时编码的图案，以便实现3D扫描。对于手持3D扫描仪来说良好的移动容忍可能相对重要，所以通常使用的是空间编码图案。该方法还需要适应由于相机和光投射器之间的视差距离引起的相机和入射光之间不一致的影响。通常采用的图案为“伪随机”点图案(诸如由MicrosoftKinect或者其他公司所使用的点图案)或者“列编码”图案(如在1990年由Vuylsteke和Oosterlinck描述的一种图案)，其基于带有诊断连接/断开的棋盘图案来编码列索引。然而，这些图案可能缺乏用于工业应用的对象测量结果中期望的性能和精度。因此，存在一种用以改善3D感测系统的测量结果的质量的需求。
技术实现思路
相应地，在一方面，本专利技术包含使用基于伪随机点图案在对象上的结构光投射的3D感测系统来确定对象的尺寸或形状的方法和系统。示例性实施例中，三维(3D)感测系统包括用于利用结构光照明将点图案投射到位于表面上的对象的光源；表示显示在表面上的投射的点图案的网格。该点图案包括多个点，其分布在网格上以使得某个子窗口大小内的相邻各点是各点的独特子图案。某个子窗口大小内的相邻各点相对于网格的一条轴线按照交错网格格式来布置。三维(3D)感测系统还包括图像传感器，其用于捕获从表面反射的对象的图像，以便识别所捕获图像内各点的位置，并且用于基于对象的3D感测来确定对象的尺寸或形状。所述各点基于高斯差分(DOG)算法加双三次插值以亚像素精度定位在网格上。额外地，点图案包括“伪随机”点图案。光源包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)。对象位于平面表面上。通过执行DeBruijn序列获得用于各点的独特子图案的可能组合的列索引，DeBruijn序列之后是编码序列。按照交错网格格式相邻的各点位于网格垂直轴上的三个可能位置中的一个。三个可能位置在网格的网格间距15％以内，以便保持行索引确定。在另一个示例性实施例中，一种照明对象以便三维(3D)感测系统确定该对象的尺寸的方法，包括利用结构光照明将伪随机点图案传输到位于平面表面上的对象上；基于伪随机点图案在网格上分布各点，使得某个子窗口大小内的一组相邻各点是各点的独特子图案。某个子窗口大小内的各点的独特子图案中的一个或多个点的位置相对于网格的一条轴线被修改。另外，该方法包括通过利用DeBruijn序列来获得对于各点的独特子图案的可能组合的列索引；捕获对象的图像；并且基于对象的3D感测来确定对象的尺寸。一个或多个点相对于网格的一条轴线的位置的修改包括在不影响行索引确定的情况下来修改网格的一条轴线上的一个或多个点的位置。修改一个或多个点相对于网格的一条轴线的位置包括以小于网格的网格间距的15％的量来修改一个或多个点相对于网格的一条轴线的位置。针对独特子图案的某个子窗口大小包括基于伪随机点图案的网格位置的10％到15％。在轴线上的各点的大量可能的位置根据图像传感器分辨率而改变。在垂直轴上所述各点的可能的位置的数目可以为三。所述各点基于高斯差分(DOG)算法加双三次插值以亚像素精度定位在网格上。在另外一个示例性实施例中，用于三维(3D)感测的伪随机点图案包括表示伪随机点图案的网格；以及网格的某个子窗口大小内一组相邻点，其定义各点的独特子图案。各点的独特子图案包括一个或多个点，在网格的一条轴线上修改它们的位置。利用结构光照明将伪随机点图案投射到对象上，以利用3D感测来获得对象的尺寸信息。各点的独特子图案包括对于网格上的每个点具有三个可能的垂直位置的各点的交错网格。在一个对应四个点的4×2子窗口内的每个点的三个可能的垂直位置利用81个不同值来编码列索引。三个可能的垂直位置包括上移、下移和无移位位置。以小于网格的网格间距的15％的量来修改其位置沿网格的一条轴线被修改的一个或多个点，以便维持行索引确定。各点基于高斯差分(DOG)算法加双三次插值以亚像素精度定位在网格上。前述的说明性概要，以及本专利技术其他示例性目标和/或优点，以及实现本专利技术的方式，在如下详细说明及其附图内进行进一步解释。附图说明图1图示了用于基于点图案的结构光投射来测量对象的3D感测系统。图2图示了用于3D感测系统的高分辨率点图案。图3图示了用于3D感测系统的点图案，其中各点以亚像素精度按照交错网格格式定位。具体实施方式本专利技术包括用于使用结构光投射器和图像传感器来测量对象3D形状的系统，所述图像传感器诸如扫描仪或相机。结构光投射器将伪随机点图案“投射”到位于表面上的对象上。图像扫描仪捕获已被反射表面反射的对象的3D图像并且确定对象的尺寸。尽管物理世界是三维的，但传统的相机和图像传感器只能获得二维(2D)图像，其缺少深度信息。该根本限定可以极大地限制感知和理解真实世界物体复杂性的能力。利用结构化光照明地3D感测方法可促进物体的3D表面测量。应用可以包括：确定零售或者工业环境中包装或产品的形状，用于生产控制的精确形状测量(例如，涡轮叶片)，反向工程(例如，从现有对象获得精确CAD数据)，体积测量(例如，马达内的燃烧室容积)，磨料和工具的分类，地面的精确结构测量，切削工具叶片的半径确定，以及平面性的精确测量。如上所述，用于3D物体扫描的系统可能基于图案投射，并且可被称为三角测量系统。它们包括发射图案的结构化光投射器，以及包括记录系统的图像传感器。投射或者发射的图案反射离开物体所位于的表面，并且反射的图像由记录系统扫描，以及然后数据被处理，从而可构建扫描区域的三维模型。平面表面提供最佳测量结果。投射图案的功能是用于提取关于空间深度(第三维)的信息。3D信息可以与形成用于物体的基础和形成识别以及体积测量结果的3D点云相结合。点云是某个坐标系中的一组数据点。三维坐标系中，这些点通常由X，Y和Z坐标定义，并且经常可适用于表示物体的外表面。可以由3D扫描仪创建点云。更具体地，术语“3D成像”指的是能够获得真实的3D数据的技术，即作为3D坐标x、y、z的函数的3D物体某个属性的各值(诸如密度分布)。表面成像处理物体表面上各点的x、y、z坐标测量结果。由于该表面通常是非平面的，所以在3D空间内描述该表面，并且成像问题因而被称为3D表面成像。该过程也被称为3D表面测量。3D表面成像的一个基本方法是基于“结构光”的使用，即利用特殊设计的2D空间变化密度图案主动照明物体。图1图示了用于基于结构光投射来测量物体的3D感测系统实施例100。如图1所图示，空间变化的2D结构化照明由特殊投影器或者通过空间光调制器调制的光源来生成。结构光投射器104投射图案到物体108所位于的表面上。在这种情况本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维(3D)感测系统，包括：光源，其用于利用结构光照明将点图案投射到对象上，所述点图案包括多个点，其分布在网格上以使得某个子窗口大小内的相邻各点是各点的独特子图案，其中某个子窗口大小内的相邻各点相对于网格的一条轴线按照交错网格格式来布置，并且所述各点基于高斯差分(DOG)算法加双三次插值以亚像素精度定位在网格上；以及图像传感器，其用于捕获对象的图像；其中所述系统配置成识别所捕获图像内各点的位置，并且确定对象的尺寸和/或形状。

【技术特征摘要】
2015.11.19 US 62/257322;2016.11.17 US 15/3540081.一种三维(3D)感测系统，包括：光源，其用于利用结构光照明将点图案投射到对象上，所述点图案包括多个点，其分布在网格上以使得某个子窗口大小内的相邻各点是各点的独特子图案，其中某个子窗口大小内的相邻各点相对于网格的一条轴线按照交错网格格式来布置，并且所述各点基于高斯差分(DOG)算法加双三次插值以亚像素精度定位在网格上；以及图像传感器，其用于捕获对象的图像；其中所述系统配置成识别所捕获图像内各点的位置，并且确定对象的尺寸和/或形状。2.根据权利要求1的系统，其中，所述点图案包括“伪随机”点图案。3.根据权利要求1的系统，其中，所述光源包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)。4.根据权利要求1的系统，其中所述对象位于平面表面上。5.根据权利要求1的系统，其中，通过执行DeBruijn序列来获得用于各点的独特子图案的可能组合的列索引，DeBruijn序列之后是编码序列。6.根据权利要求1的系统，其中，按照交错网格格式的相邻各点位于网格的垂直轴线上的三个可能位置中的一个。7.根据权利要求6的系统，其中，三个可能位置在网格...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·蒂里斯，
申请(专利权)人：手持产品公司，
类型：发明
国别省市：美国,US