專利名稱：基于結(jié)構(gòu)光測(cè)量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的主題涉及基于結(jié)構(gòu)光的測(cè)量，以及更具體地，涉及用于確定從視頻檢驗(yàn)裝置的探測(cè)器到對(duì)象的距離(“對(duì)象距離”)的、基于結(jié)構(gòu)光的方法。
背景技術(shù)：
在廣泛應(yīng)用中使用視頻檢驗(yàn)裝置。在諸如使用內(nèi)窺鏡的活體內(nèi)部器官光學(xué)檢查或者商業(yè)設(shè)備中的缺陷檢查的一些應(yīng)用中，有用的是使視頻檢驗(yàn)裝置的用戶能夠確定探測(cè)器與被檢查對(duì)象的距離，以便在那個(gè)對(duì)象上執(zhí)行測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)任務(wù)和其它觀察任務(wù)，當(dāng)前的探測(cè)器采用多種方法。測(cè)量方法的一些示例包括立體式方法、陰影方法和投射點(diǎn)網(wǎng)格方法。立體系統(tǒng)一般使用特定光學(xué)系統(tǒng)，從兩個(gè)有利位置來觀察相同場(chǎng)景，依靠圖像中的對(duì)象的表面細(xì)節(jié)來匹配兩個(gè)圖像。通過分析圖像中的細(xì)微差別來確定對(duì)象距離。投射的點(diǎn)網(wǎng)格方法使用諸如激光器的光源，以將點(diǎn)投射到對(duì)象上。然后確定點(diǎn)之間的間距，或者然后確定圖像中的點(diǎn)的位置，以便確定對(duì)象距離。陰影方法在光源與對(duì)象之間放置諸如線的單個(gè)不透明元件。該元件定位在由光源發(fā)射的光中，與光和光源的中心線成角度地偏置。如果該對(duì)象處于包含由該不透明元件投影的陰影的、光場(chǎng)的部分中，則當(dāng)對(duì)象移動(dòng)靠近或遠(yuǎn)離設(shè)備時(shí)，圖像中的陰影的位置移位，并且因而能夠用于確定對(duì)象距離。當(dāng)前的測(cè)量方法各具有多種限制。例如，立體系統(tǒng)具有受到設(shè)備(包括其雙焦點(diǎn)觀察光學(xué)器件)的物理尺寸限制的基線間距?；€間距確定探測(cè)器的分辨率。增加基線間距能夠在給定對(duì)象距離提供更好的準(zhǔn)確性。此外，在立體系統(tǒng)中，必須在兩個(gè)圖像中識(shí)別被觀察對(duì)象上的相同點(diǎn)，以便計(jì)算對(duì)象距離。許多表面缺乏唯一可識(shí)別的特征，這使對(duì)象距離的準(zhǔn)確確定困難或者不可能。對(duì)于陰影測(cè)量方法，如果對(duì)象不在包含陰影的視場(chǎng)的部分中，則無法進(jìn)行測(cè)量。此外，僅測(cè)量一個(gè)特定區(qū)域而不是大視場(chǎng)，因此未檢測(cè)視場(chǎng)上的表面不規(guī)則性和視場(chǎng)中的對(duì)象的朝向。在許多立體測(cè)量系統(tǒng)和陰影測(cè)量系統(tǒng)中，使用兩組光學(xué)器件。第一組光學(xué)器件用于觀察對(duì)象，而第二組光學(xué)器件用于進(jìn)行測(cè)量。往往包含在分離探針中的第二組光學(xué)器件在需要測(cè)量時(shí)必須與第一組相互交換。例如，在一種陰影測(cè)量系統(tǒng)中，相同的一般觀察光源用于一般觀察和用于測(cè)量。但是，必須安裝分離的陰影測(cè)量針(tip)，以便在發(fā)現(xiàn)缺陷或其它可測(cè)量特征時(shí)通過該一般觀察光源來執(zhí)行測(cè)量。探針的這種相互交換耗費(fèi)額外時(shí)間，并且有損于探測(cè)器的有效使用。此外，陰影測(cè)量光學(xué)器件顯著阻塞光輸出，以使得在使用陰影測(cè)量光學(xué)器件時(shí)，不太充分地照亮視場(chǎng)，這限制了觀察距離。立體光學(xué)器件對(duì)于一般觀察也是不期望的，因?yàn)閳D像分辨率和觀察景深相對(duì)那些常規(guī)觀察光學(xué)器件普遍降低。在其它實(shí)例中，涉及人的主觀成分(例如，估計(jì)陰影或其它圖案落在由顯示器提供的圖像中的哪里，等等)，限制了準(zhǔn)確性并且阻止自動(dòng)測(cè)量。另外，經(jīng)常由于觀察光學(xué)器件的設(shè)計(jì)和/或布置的復(fù)雜性，許多探測(cè)器或者探頭組裝件大或笨重。更小和/或更簡(jiǎn)單的觀察光學(xué)器件使能夠有更小的探測(cè)器和/或探針，具有在窄小空間中操縱的更大能力或者設(shè)計(jì)和/或并入附加功能性的更大空間。將有優(yōu)勢(shì)的是在檢驗(yàn)期間確定到對(duì)象表面的距離，而沒有上面系統(tǒng)的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
提供一種確定到對(duì)象表面的距離的方法，它避免了上面系統(tǒng)的缺點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，公開一種用于確定從視頻檢驗(yàn)裝置的探測(cè)器到對(duì)象的距離的、 基于結(jié)構(gòu)光測(cè)量的方法。視頻檢驗(yàn)裝置能夠包括第一光發(fā)射器和第二光發(fā)射器，用于穿過具有至少一個(gè)陰影形成元件的開口將光發(fā)射到對(duì)象上，當(dāng)光發(fā)射器激活時(shí)在對(duì)象上形成多個(gè)陰影。該方法能夠包括在第一光發(fā)射器激活而第二光發(fā)射器停用時(shí)捕獲對(duì)象的至少一個(gè)第一發(fā)射器圖像，在第二光發(fā)射器激活而第一光發(fā)射器停用時(shí)捕獲對(duì)象的至少一個(gè)第二發(fā)射器圖像，確定至少一個(gè)第一發(fā)射器圖像中的像素的第一多個(gè)亮度值，確定至少一個(gè)第二發(fā)射器圖像中的像素的第二多個(gè)亮度值，確定至少一個(gè)第一發(fā)射器圖像中的像素的第一多個(gè)亮度值與至少一個(gè)第二發(fā)射器圖像中的像素的第二多個(gè)亮度值的明度比(brightness ratio)，以及使用該明度比確定對(duì)象距離。在一個(gè)實(shí)施例中，公開一種用于確定從視頻檢驗(yàn)裝置的探測(cè)器到對(duì)象的距離的、 基于結(jié)構(gòu)光測(cè)量的方法。視頻檢驗(yàn)裝置能夠包括第一光發(fā)射器和第二光發(fā)射器，其中第一光發(fā)射器能夠穿過具有至少一個(gè)陰影形成元件的開口將光發(fā)射到對(duì)象上，當(dāng)?shù)谝还獍l(fā)射器激活時(shí)在對(duì)象上形成至少一個(gè)陰影。該方法能夠包括下列步驟在第一光發(fā)射器激活而第二光發(fā)射器停用時(shí)捕獲對(duì)象的至少一個(gè)第一發(fā)射器圖像，在第二光發(fā)射器激活而第一光發(fā)射器停用時(shí)捕獲對(duì)象的至少一個(gè)第二發(fā)射器圖像，確定至少一個(gè)第一發(fā)射器圖像中的像素的第一多個(gè)亮度值，確定至少一個(gè)第二發(fā)射器圖像中的像素的第二多個(gè)亮度值，確定至少一個(gè)第二發(fā)射器圖像中的像素的第二多個(gè)亮度值與至少一個(gè)第一發(fā)射器圖像中的像素的第一多個(gè)亮度值的明度比，以及使用該明度比確定對(duì)象距離。


通過參照某些實(shí)施例已經(jīng)進(jìn)行了對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述，從而能夠以這種方式理解本發(fā)明的特征，某些實(shí)施例的一些在附圖中示出。但是要注意，附圖僅示出本發(fā)明的某些實(shí)施例，因此不認(rèn)為是對(duì)其范圍的限制，因?yàn)楸景l(fā)明的范圍包含其它同樣有效的實(shí)施例。附圖不一定按照比例繪制，重點(diǎn)一般放在說明本發(fā)明某些實(shí)施例的特征上。因此，為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，可結(jié)合附圖閱讀并參照下面的詳細(xì)描述，在附圖中圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的視頻檢驗(yàn)裝置的框圖。圖2是使用兩個(gè)光發(fā)射器和三個(gè)陰影形成元件的、本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的、投射陰影圖案的探頭組裝件和可拆卸的針可拆卸的針的機(jī)械配置的示意性頂視圖。圖3示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的、定位成距圖2的可拆卸的針50mm的平坦白色對(duì)象的像素化(pixilated)圖像，該圖像在一般觀察期間、通過圖2的可拆卸的針和圖1的視頻檢驗(yàn)裝置來捕獲。圖4示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的、定位成距圖2的可拆卸的針50mm的平坦白色對(duì)象的像素化圖像的一行，該圖像在第一光發(fā)射器激活期間被捕獲。
圖5示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的、定位成距圖2的可拆卸的針50mm的平坦白色對(duì)象的像素化圖像的一行，該圖像在第二光發(fā)射器激活期間被捕獲。圖6示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的、各跨過一行像素的、圖4的圖像的明度輪廓和圖5的圖像的明度輪廓。圖7示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的、圖6中示出的明度輪廓的明度比。圖8是描繪了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的、各包含圖7中示出的明度比峰的、明度比峰像素的標(biāo)識(shí)的示意圖。圖9示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的陰影形成元件，其中中心的陰影形成元件窄于兩個(gè)外圍的陰影形成元件。圖10示出了在使用兩個(gè)光發(fā)射器和三個(gè)陰影形成元件的本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的、對(duì)于距可拆卸的針50mm的平坦白色對(duì)象的捕獲的各圖像的一行像素的明度輪廓，一個(gè)圖像在第一光發(fā)射器激活期間被捕獲且一個(gè)圖像在第二光發(fā)射器激活期間被捕獲，其中， 中心的陰影形成元件窄于外圍的陰影形成元件。圖11示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的、圖10中示出的明度輪廓的明度比。附圖不一定按照比例繪制，代替地，重點(diǎn)一般放在示出本發(fā)明的原理上。在附圖中，相似的標(biāo)號(hào)用于遍及多個(gè)視圖指示相似的部件。
具體實(shí)施例方式圖1是本發(fā)明一示例性實(shí)施例中的視頻檢驗(yàn)裝置100的框圖。將理解的是圖1中示出的視頻檢驗(yàn)裝置100是示例性的，并且本發(fā)明的范圍并不限于任何具體視頻檢驗(yàn)裝置 100或者視頻檢驗(yàn)裝置100之內(nèi)的組件的任何具體配置。視頻檢驗(yàn)裝置100能夠包括延長(zhǎng)的探測(cè)器102，其包括插入管110以及設(shè)置在插入管110的遠(yuǎn)端的頭部組裝件120。插入管110能夠是柔性管狀截面，頭部組裝件120與探測(cè)器電子器件140之間的所有互連經(jīng)過其中。頭部組裝件120能夠包括用于引導(dǎo)來自對(duì)象的光并且將其聚焦到成像器124上的探測(cè)器光學(xué)器件122。探測(cè)器光學(xué)器件能夠包括例如， 單透鏡(lens singlet)或者具有多個(gè)組件的透鏡。成像器124能夠是用于得到目標(biāo)對(duì)象的圖像的固態(tài)CXD或CMOS圖像傳感器。頭部組裝件120還能夠包括用于照亮目標(biāo)對(duì)象的一般觀察光源128。一般觀察光源1 能夠通過許多不同的方式來提供(例如，傳送來自近端定位燈、LED或激光器的光，或者傳送來自遠(yuǎn)端定位燈或LED的光的光纖束)?？刹鹦兜尼樆蜻m配器130能放置在頭部組裝件120的遠(yuǎn)端上?？刹鹦兜尼?30能夠包括針觀察光學(xué)器件132(例如，透鏡、窗口或光圈)，它們與探測(cè)器光學(xué)器件122結(jié)合工作，以引導(dǎo)來自目標(biāo)對(duì)象的光并且將其聚焦到成像器口4上。如果用于視頻檢驗(yàn)裝置100 的光源從針130或者用于將光從探測(cè)器102傳遞到目標(biāo)對(duì)象的通光元件138發(fā)出，則可拆卸的針130還能夠包括照明LED(未示出)。通過包含波導(dǎo)(例如，棱鏡)以將照相機(jī)取景 (view)和光輸出轉(zhuǎn)到側(cè)面，針130還能夠提供用于側(cè)面觀察的能力。能夠包含在針130中的元件還能夠包含在探測(cè)器102本身中。成像器124能夠包括在多個(gè)行和列中形成的多個(gè)像素，并且能夠生成具有表示入射到成像器124的各像素上的光的模擬電壓形式的圖像信號(hào)。圖像信號(hào)能夠穿過成像器混合器126傳播，成像器混合器126向成像器線束(harness) 112提供用于信號(hào)緩沖和調(diào)節(jié)的電子器件，成像器線束112提供用于成像器混合器1 與成像器接口電子器件142之間的控制和視頻信號(hào)的導(dǎo)線。成像器接口電子器件142能夠包括電源、用于生成成像器時(shí)鐘信號(hào)的定時(shí)發(fā)生器、用于數(shù)字化成像器視頻輸出信號(hào)的模擬前端、以及用于將數(shù)字化的成像器視頻數(shù)據(jù)處理成更有用視頻格式的數(shù)字信號(hào)處理器。 成像器接口電子器件142是提供用于操作視頻檢驗(yàn)裝置10的功能收集的探測(cè)器電子器件140的一部分。探測(cè)器電子器件140還能夠包括校準(zhǔn)存儲(chǔ)器144，其存儲(chǔ)用于探測(cè)器102和/或針130的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。微控制器146還能夠包含在探測(cè)器電子器件140中，用于與成像器接口電子器件142通信，以確定和設(shè)置增益及曝光設(shè)定、存儲(chǔ)和讀取來自校準(zhǔn)存儲(chǔ)器144的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、控制傳遞給目標(biāo)對(duì)象的光、以及與視頻檢驗(yàn)裝置10的CPU 150通除了與微控制器146進(jìn)行通信之外，成像器接口電子器件142還能夠與一個(gè)或多個(gè)視頻處理器160通信。視頻處理器160能夠從成像器接口電子器件142接收視頻信號(hào)， 并且將信號(hào)輸出到多種監(jiān)視器(包括整體顯示器170或外部監(jiān)視器17 。整體顯示器170 能夠是內(nèi)建于視頻檢驗(yàn)裝置100的、用于向檢驗(yàn)員顯示多種圖像或數(shù)據(jù)(例如，目標(biāo)對(duì)象的圖像、菜單、光標(biāo)、測(cè)量結(jié)果)的IXD屏幕。外部監(jiān)視器172能夠是連接到視頻檢驗(yàn)裝置100 的、用于顯示多種圖像或數(shù)據(jù)的、視頻監(jiān)視器或計(jì)算機(jī)類型監(jiān)視器。視頻處理器160能夠向/從CPU 150提供/接收命令、狀態(tài)信息、流播視頻、靜止視頻圖像和圖形覆蓋，并且可由FPGA、DSP或其它處理元件組成，它們提供諸如圖像捕獲、 圖像增強(qiáng)、圖形覆蓋合并、失真校正、幀平均、縮放、數(shù)字變焦、覆蓋、合并、翻轉(zhuǎn)(flip)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、以及視頻格式轉(zhuǎn)換和壓縮的功能。除了提供包括圖像、視頻、和音頻存儲(chǔ)及重新調(diào)用功能，系統(tǒng)控制，和測(cè)量處理的大量其它功能之外，CPU 150能夠用于通過接收經(jīng)由操縱桿180、按鈕182、小鍵盤184、和/ 或麥克風(fēng)186的輸入，來管理用戶接口。操縱桿180能夠由用戶操縱，以執(zhí)行諸如菜單選擇、 光標(biāo)移動(dòng)、滑塊調(diào)整和探測(cè)器102的清晰度控制的操作，并且可包括按動(dòng)按鈕的功能。按鈕 182和/或小鍵盤184也能夠用于菜單選擇和將用戶命令提供給CPU 150 (例如，定格或保存靜止圖像)。麥克風(fēng)186能夠由檢驗(yàn)員使用，以提供定格或保存靜止圖像的語(yǔ)音指令。視頻處理器160還能夠與視頻存儲(chǔ)器162通信，視頻存儲(chǔ)器162由視頻處理器160 使用，以在處理期間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行幀緩沖和暫時(shí)保持。CPU 150還能夠與用于存儲(chǔ)由CPU 150 執(zhí)行的程序的CPU程序存儲(chǔ)器152通信。另外，CPU能夠與易失性存儲(chǔ)器154(例如，RAM) 和非易失性存儲(chǔ)器156 (例如，閃速存儲(chǔ)器裝置、硬盤驅(qū)動(dòng)器、DVD、或者EPROM存儲(chǔ)器裝置) 通信。非易失性存儲(chǔ)器156是用于流播視頻和靜止圖像的主存儲(chǔ)。CPU 150還能夠與計(jì)算機(jī)I/O接口 158通信，計(jì)算機(jī)I/O接口 158提供到諸如USB、 火線、以太網(wǎng)、音頻I/O、和無線收發(fā)器的外圍裝置和網(wǎng)絡(luò)的多種接口。這個(gè)計(jì)算機(jī)I/O接口 158能夠用于保存、重新調(diào)用、傳送和/或接收靜止圖像、流播視頻或音頻。例如，USB “拇指驅(qū)動(dòng)器”或壓縮閃存存儲(chǔ)卡能夠插入計(jì)算機(jī)I/O接口 158中。另外，視頻檢驗(yàn)裝置100能夠配置成向外部計(jì)算機(jī)或服務(wù)器發(fā)送圖像數(shù)據(jù)或流播視頻數(shù)據(jù)的幀。視頻檢驗(yàn)裝置100能夠并入TCP/IP通信協(xié)議集，并且能夠被并入到包括多個(gè)本地計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)(每個(gè)計(jì)算機(jī)也并入TCP/IP通信協(xié)議集)的廣域網(wǎng)中。通過并入TCP/IP協(xié)議集，視頻檢驗(yàn)裝置100 并入包括TCP和UDP的若干傳輸層協(xié)議以及包括HTTP和FTP的若干不同的層協(xié)議。
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圖2是使用兩個(gè)光發(fā)射器211、212和三個(gè)陰影形成元件觀9、四0、四1的、本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的、投射陰影圖案的探頭組裝件220和可拆卸的針230的機(jī)械配置的示意頂視圖。參照?qǐng)D2，可拆卸的針230能夠附連到探頭組裝件220的遠(yuǎn)端?？刹鹦兜尼?30內(nèi)部封裝的能夠是一組針觀察光學(xué)器件，其能夠進(jìn)一步由結(jié)構(gòu)光投射光學(xué)器件和光接收光學(xué)器件組成。在一個(gè)實(shí)施例中，可拆卸的針230能夠是來自探頭組裝件220的分離組件，可附連到探頭組裝件220并且從其中拆卸。在另一個(gè)實(shí)施例中，如前所述，可拆卸的針230的元件能夠封裝在探頭組裝件220內(nèi)部或者否則與其集成在一起。此外，描述為封裝在探頭組裝件220中的元件能夠封裝在可拆卸的針230中。為了描述簡(jiǎn)單，本文描述的實(shí)施例將可拆卸的針230稱作可拆卸的，但是也設(shè)想在其中可拆卸的針230的元件與探頭組裝件220集成在一起的實(shí)施例。同樣為了描述簡(jiǎn)單，針觀察光學(xué)器件和結(jié)構(gòu)光投射光學(xué)器件，或者它們的部分描述為完全封裝在可拆卸的針230中。但是，按照上面描述的多個(gè)實(shí)施例，能夠封裝這些組件，包括在可拆卸的針230與探頭組裝件220之間分開它們。另外，雖然描述參考了視頻檢驗(yàn)裝置100的探頭組裝件230，但是也能夠使用另一種類似裝置。結(jié)構(gòu)光投射光學(xué)器件能夠包括兩個(gè)或更多個(gè)光發(fā)射器211、212以及一個(gè)或更多個(gè)陰影形成元件沘9、四0、四1。陰影形成元件沘9、四0、291和光發(fā)射器211、212能夠在一般觀察期間與探頭組裝件220集成在一起或者作為可拆卸的針230的一部分被附連，因此無需相互交換觀察針而使用陰影形成元件觀9、四0、291和光發(fā)射器211、212，來進(jìn)行測(cè)量或者確定被觀察對(duì)象206的空間關(guān)系。光發(fā)射器211、212能夠是單個(gè)發(fā)光二極管(LED)、光纖、激光器、或者另一種發(fā)光源。光發(fā)射器211、212能夠是單個(gè)或多個(gè)，細(xì)長(zhǎng)的或者適當(dāng)?shù)母鞣N形狀。能夠使用產(chǎn)生相當(dāng)均勻輸出的、任何小的高強(qiáng)度光發(fā)射器。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到適當(dāng)?shù)膫溥x方案。使用小光發(fā)射器211、212和更少光發(fā)射器211、212能夠保留物理空間，允許小尺寸的可拆卸的針230，或者允許更大空間用于可拆卸的針230的進(jìn)一步的復(fù)雜性。光發(fā)射器211、212能夠相對(duì)于彼此和/或相對(duì)于可拆卸的針230穩(wěn)固地適當(dāng)定位。單個(gè)管芯((1化)286可包括光發(fā)射器211、212，因而固有地控制光發(fā)射器211、212的相對(duì)位置。光發(fā)射器211、212能夠穿過可拆卸的針230的遠(yuǎn)端的開口 292發(fā)射光。開口 292 能夠是開放窗口，或者是由玻璃、塑料、或另一種透光材料部分或完全封閉的窗口。光發(fā)射器211、212能夠在一般觀察期間充當(dāng)光源，或者可能與通光元件238結(jié)合的備選一般觀察光源2 能夠在一般觀察期間提供全光輸出。在由光發(fā)射器211、212穿過開口 292發(fā)射的光中，能夠定位一個(gè)或多個(gè)陰影形成元件觀9、四0、四1。這些陰影形成元件觀9、四0、四1能夠定位在開口四2中或附近。在使用透光材料來封閉開口 292時(shí)，陰影形成元件觀9、四0、291能夠定位在透光材料上、與其附連、或與其集成。陰影形成元件觀9、四0、291能夠是固體物體，或者陰影形成元件能夠繪制到透明窗口上。液晶顯示器(IXD)也能夠用于創(chuàng)建陰影形成元件觀9、四0、四1。通過IXD， 操作員能夠具有操縱陰影形成元件、改變尺寸、形狀、暗度、位置和存在的更大控制權(quán)。在由圖2示出的示例性實(shí)施例中，三個(gè)陰影形成元件觀9、四0、四1能夠配置成投射像線、長(zhǎng)塊(bar)或矩形(它們的暗度從長(zhǎng)邊向中心增加)等形狀的陰影。但是，能夠使用大于或等于一的、任何數(shù)量的陰影形成元件觀9、四0、四1。由于圖1是二維頂視圖，所以陰影形成元件觀9、四0、四1的深度(即，伸長(zhǎng)的維度)不可見。在一個(gè)實(shí)施例中，陰影形成元件觀9、四0、291能夠比光發(fā)射器211、212的寬度更細(xì)。也許有可能使用寬度直到光發(fā)射器211、212的寬度兩倍的陰影形成元件觀9、四0、291來保持投射陰影的必要形狀。在示出的示例性實(shí)施例中，陰影形成元件觀9、四0、291的寬度大致等于光發(fā)射器211、212的寬度。 陰影形成元件觀9、四0、291備選地能夠具有多種形狀和尺寸，以產(chǎn)生預(yù)期的寬度、長(zhǎng)度或形狀的陰影。陰影形成元件觀9、四0、四1能夠阻擋從光發(fā)射器211、212發(fā)射的光的一部分，使得作為光和影的圖案的、投射的陰影圖案201、202能夠從探頭組裝件220和/或可拆卸的針230向前投射。能夠每次一個(gè)地激活光發(fā)射器211、212。能夠在第一光發(fā)射器211激活期間投射陰影圖案201，并且能夠在第二光發(fā)射器212激活期間投射陰影圖案202。當(dāng)激活光發(fā)射器211、212時(shí)，能夠停用一般觀察光源228。光發(fā)射器211、212和陰影形成元件觀9、 290,291能夠定位并配置成使得如果光發(fā)射器211、212同時(shí)發(fā)射光線，則投射的陰影圖案 201、202具有光和影的交替區(qū)域。換言之，如果陰影圖案201、202疊合，則疊合的陰影圖案 201、202中的陰影可以不重疊。投射的陰影能夠具有陡峭的邊緣，或者投射的陰影能夠平滑地過渡到光。但是，從陡峭的邊緣或平滑過渡在X方向上接近陰影的中心，陰影的明度值減小。使用窄束光發(fā)射器211、212促進(jìn)了相對(duì)窄的陰影。使用與光發(fā)射器211、212的寬度大致相同寬度或者在光發(fā)射器211、212的寬度的范圍之內(nèi)的窄陰影形成元件觀9、四0、 291還幫助促進(jìn)了不重疊的相對(duì)窄的陰影。當(dāng)陰影形成元件觀9、四0、291太寬時(shí)，投射的陰影可能也很大，并且來自一個(gè)光發(fā)射器211、212的、投射的陰影會(huì)與來自另一個(gè)光發(fā)射器211、212的、投射的陰影重疊。如果陰影形成元件觀9、四0、四1與光發(fā)射器211、212相比太細(xì)，則光線能夠成角度經(jīng)過陰影形成元件觀9、四0、291到達(dá)投射的陰影的中心或在其之前，使得投射的陰影弱或者沒有清楚地定義。使陰影形成元件觀9、四0、四1的寬度最大化為與光發(fā)射器211、212的寬度同樣大促進(jìn)了不重疊的、相對(duì)清楚且窄的陰影。光發(fā)射器能夠通過常規(guī)方法供電。例如，如圖2中示出的，光發(fā)射器211、212能夠通過連接到光發(fā)射器211、212的第一組導(dǎo)線M0，來接收包括電功率的電信號(hào)。第一組導(dǎo)線 240能夠端接于第一組電觸點(diǎn)250，第一組電觸點(diǎn)250還能夠與封裝在探頭組裝件220中的第二組電觸點(diǎn)(未示出)連接或斷開。這種布置使得可拆卸的針230能夠可附連到探頭組裝件220并可從其分離。第二組電觸點(diǎn)(未示出)能夠連接到貫穿探頭組裝件220的頭部延伸的第二組電導(dǎo)線(未示出)。導(dǎo)線導(dǎo)向了到驅(qū)動(dòng)電路(未示出)和/或電源(未示出， 見圖1)的上游。其它布線布置是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到的。例如，在一個(gè)備選實(shí)施例中，雙向驅(qū)動(dòng)電路(未示出)能夠與不平行的光發(fā)射器 211、212，單個(gè)導(dǎo)線MO以及必要時(shí)的單觸點(diǎn)250 —起使用，以便驅(qū)動(dòng)光發(fā)射器211、212。在這個(gè)實(shí)施例中，探頭組裝件220能夠用于電接地。光接收光學(xué)器件接收從結(jié)構(gòu)光投射光學(xué)器件投射并且從視場(chǎng)之內(nèi)的對(duì)象206反射的光。當(dāng)對(duì)象206處于探頭組裝件220前面時(shí)，投射的陰影圖案201、202投射到對(duì)象206 上。光從對(duì)象206反射回來到探頭組裝件220處，其中光接收光學(xué)器件將光傳遞給探測(cè)器光學(xué)器件122和成像器124。在由圖2示出的示例性實(shí)施例中，光接收光學(xué)器件包括透鏡 234和棱鏡236。透鏡234能夠定位在光發(fā)射器211、212和陰影形成元件觀9、四0、四1的上方、下方或側(cè)面。透鏡234能夠穿過棱鏡236將圖像聚焦到探測(cè)器光學(xué)器件122和成像器124。在示例性實(shí)施例中，透鏡234對(duì)光發(fā)射器211、212和/或陰影形成元件觀9、四0、 291的側(cè)面偏移的距離能夠確定基線間距。使用有限數(shù)量的光發(fā)射器211、212和陰影形成元件289、290、291和/或使用小光發(fā)射器211、211和小陰影形成元件289,290,291,能夠留下額外空間，以進(jìn)一步偏移透鏡234，這增加了基線間距并且因此增加了視頻檢驗(yàn)裝置100 的準(zhǔn)確性和/或分辨率。棱鏡236可適當(dāng)成形，以便在適當(dāng)方向中引導(dǎo)光。在圖2中，棱鏡236為梯形。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)知道，裝置中的針觀察光學(xué)器件的布置能夠部分依賴于可拆卸的針 230能夠設(shè)計(jì)成與其附連和分離的或者可拆卸的針230的元件能夠與其集成的、具體視頻檢驗(yàn)裝置100而改變。例如，在一個(gè)備選實(shí)施例中，光發(fā)射器211、212和/或陰影形成元件 289,290,291能夠駐留在光接收光學(xué)器件的兩側(cè)，潛在地允許使用更多光發(fā)射器211、212 和/或更多陰影形成元件觀9、四0、四1，和/或潛在地提供更好的數(shù)據(jù)密度。在另一個(gè)實(shí)施例中，不存在透鏡234和棱鏡236，僅利用預(yù)先存在的視頻檢驗(yàn)裝置100中預(yù)先存在的探測(cè)器光學(xué)器件122。投射的陰影圖案201、202具有示出為從可拆卸的針230沿Z軸向外50毫米 ( 1.9685英寸)的對(duì)象距離的陰影投射軌跡，其中陰影投射到平坦不光滑白色表面上。 附圖的二維空間表示了由上向下看到的視場(chǎng)。陰影軌跡由線221、222、231、232、M1、和M2 表示。線313、314表示視場(chǎng)的邊緣。線221、231、和241表示了在第一光發(fā)射器211激活時(shí)由三個(gè)陰影形成元件觀9、290和291投射的陰影。線222、232和242表示了在光發(fā)射器 212激活時(shí)由相同的三個(gè)陰影形成元件觀9、290和291投射到視場(chǎng)中的陰影的中心。中心的陰影形成元件四0大致位于原點(diǎn)(0，0)。光發(fā)射器211、212沿Z軸位于原點(diǎn)的負(fù)距離方向上。備選地，能夠考慮原點(diǎn)在另一個(gè)位置，例如，在光發(fā)射器211或212其中之一的位置處，或者在光發(fā)射器211、212之間的中心點(diǎn)處。如圖2中可見，陰影的位置隨著距可拆卸的針230的距離而變化，并且該變化能夠是可預(yù)測(cè)的。因此，確定陰影在視場(chǎng)中哪里落在對(duì)象206上可使得能夠確定在測(cè)量位置處的對(duì)象206的距離和放大率。已知諸如可拆卸的針230中的針觀察光學(xué)器件的元件的幾何形狀，對(duì)象206的距離能夠由視頻檢驗(yàn)裝置100通過三角測(cè)量快速和自動(dòng)地確定，而沒有人的主觀性。以這樣的方式，視頻檢驗(yàn)裝置100能夠提供自動(dòng)對(duì)象距離值和其它空間特性。但是，在通過光發(fā)射器211、212之一的照明期間捕獲的圖像中，陰影不一定或總是不能清楚地定義或者可識(shí)別。例如，由于引起反射光或者創(chuàng)建附加陰影的表面不規(guī)則性，以高準(zhǔn)確性來定位陰影的邊緣或中心可能是困難的。但是，能夠更準(zhǔn)確地定位視場(chǎng)中的對(duì)象206上的陰影位置或者陰影中的點(diǎn)。為了發(fā)起使得能夠確定被觀察對(duì)象206的、包括對(duì)象距離的空間特性的圖像捕獲序列，能夠在一般觀察光源2 激活而光發(fā)射器211、212停用時(shí)捕獲一般觀察圖像300。圖 3示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的、定位成距圖2的可拆卸的針50mm的平坦白色對(duì)象206的像素化一般觀察圖像300的一行，一般觀察圖像300在一般觀察期間通過圖2的可拆卸的針和圖1的視頻檢驗(yàn)裝置100來捕獲。僅為了說明的目的，像素化一般觀察圖像300包含 48行和64列像素。行和列能夠大得多，例如但不限于640X480或1280X 10M。一般觀察圖像300能夠使用一般觀察光源2 來捕獲，而沒有投射陰影。但是，光發(fā)射器211、212的一個(gè)或多個(gè)能夠備選地在一般觀察期間使用。能夠捕獲多于一個(gè)的一般觀察圖像300，并且能夠平均得到的值。各像素能夠具有相關(guān)聯(lián)的亮度(或明度)值(例如，0與255之間的灰度值)。為了繼續(xù)圖像捕獲序列，能夠在一般觀察光源2 停用、第二光發(fā)射器212停用、 而第一光發(fā)器211激活時(shí)來捕獲第一發(fā)射器圖像400。圖4示出了定位成距圖2的可拆卸的針230 50mm的平坦白色對(duì)象206的像素化第一發(fā)射器圖像400的一行，第一發(fā)射器圖像 400在第一光發(fā)射器211激活和一般觀察光源2 及第二光發(fā)射器212停用期間、使用圖2 的可拆卸的針230來捕獲。也能夠捕獲多個(gè)第一發(fā)射器圖像400，并且能夠平均獲得自各第一發(fā)射器圖像400的值。各像素能夠具有相關(guān)聯(lián)的亮度值(例如，0與255之間的灰度)。 在行Rl的圖像像素C17、C37、和C57中捕獲了投射的陰影圖案201中的各陰影的中心。從各陰影的中心向外移動(dòng)時(shí)各陰影逐漸變細(xì)，因此各像素中的明度值從各陰影的中心移向左邊或者右邊時(shí)增加。為了進(jìn)一步繼續(xù)圖像捕獲序列，能夠在一般觀察光源2 停用、第一光發(fā)射器211 停用、而第二光發(fā)射器212激活時(shí)來捕獲第二發(fā)射器圖像500。圖5示出了定位成距圖2的可拆卸的針23050mm的平坦白色對(duì)象206的像素化第二發(fā)射器圖像500的一行，第二發(fā)射器圖像500在第二光發(fā)射器212激活和一般觀察光源2 及第一光發(fā)射器211停用期間、 使用圖2的可拆卸的針230來捕獲。也能夠捕獲多個(gè)第二發(fā)射器圖像500，并且能夠平均獲得自各第二發(fā)射器圖像500的值。各像素能夠具有相關(guān)聯(lián)的亮度值(例如，0與255之間的灰度)。在行Rl的圖像像素C7、C27和C47中捕獲了投射的陰影圖案202中的各陰影的中心。從各陰影的中心向外移動(dòng)時(shí)各陰影逐漸變細(xì)，因此各像素中的明度值從各陰影的中心移向左邊或者右邊時(shí)增加。一般觀察光源2 和/或光發(fā)射器211、212能夠在發(fā)起圖像捕獲序列之后緊接著地和/或自動(dòng)地激活和/或停用，以便減少可拆卸的針230在圖像捕獲之間的移動(dòng)并提高捕獲同一視場(chǎng)的圖像的能力。另外，如果使用附加的光發(fā)射器，則能夠在每個(gè)附加光發(fā)射器唯一激活時(shí)捕獲附加的圖像。在一個(gè)實(shí)施例中，能夠?qū)τ诳刹鹦兜尼?30和視頻檢驗(yàn)裝置100激活第一光發(fā)射器211，以便捕獲第一光發(fā)射器圖像400和第二光發(fā)射器圖像500，因?yàn)榈谝还獍l(fā)射器211 能夠從一個(gè)位置移動(dòng)到第二位置，以捕獲分離的發(fā)射器圖像400、500。在另一個(gè)實(shí)施例中，第二光發(fā)射器212能夠投射光，而無需陰影形成元件觀9、 290,291投射陰影。在這種情況下，光發(fā)射器212能夠定位成使得陰影形成元件觀9、四0、 291不在從光發(fā)射器212投射的光路中。備選地，陰影形成元件觀9、四0、291能夠是可移動(dòng)的，使得當(dāng)需要在沒有投射的陰影圖案201、202的情況下從光發(fā)射器211、212之一捕獲圖像時(shí)，它們能夠脫離光發(fā)射器211、212的路徑。在另一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于可拆卸的針230和視頻檢驗(yàn)裝置100僅激活第一光發(fā)射器211和一般觀察光源228，以捕獲圖像。圖6示出了均跨過表示視場(chǎng)中的X維距離的一行像素的、圖4的第一發(fā)射器圖像 400的明度輪廓611和圖5的第二發(fā)射器圖像500的明度輪廓612。在0至1的標(biāo)度上來繪制明度，其中1為最亮。明度輪廓611表示在第一光發(fā)射器211激活期間捕獲的第一發(fā)射器圖像400的行Rl的亮度值。明度輪廓612表示在第二光發(fā)射器212激活期間捕獲的
11第二發(fā)射器圖像500的行Rl的亮度值。因此，明度輪廓谷621、631、和641表示在第一光發(fā)射器211激活期間捕獲的第一發(fā)射器圖像400的加陰影的區(qū)域，并且亮度輪廓谷622、632、 和642表示在第二光發(fā)射器212激活期間捕獲的第二發(fā)射器圖像500的加陰影的區(qū)域。在相應(yīng)明度輪廓谷621、631和、641處的底部(base)表示了在第一光發(fā)射器211激活時(shí)的最暗點(diǎn)。在相應(yīng)明度輪廓谷622、632、和642處的底部表示了在第二光發(fā)射器212激活時(shí)的最暗點(diǎn)。在與可拆卸的針230的50mm對(duì)象距離處，視場(chǎng)大致為80mm寬，從大約_40mm至大約 40mm。明度輪廓谷622、632、和642的底部分別在大約_38mm、_8mm、和21mm處。明度輪廓谷621、631和641的底部分別在大約-21mm、8mm、和38mm處。能夠?qū)τ诃h(huán)境光來校準(zhǔn)各投射的陰影圖案201、202的明度。為了降低或抑制環(huán)境光的影響，能夠在沒有激活光發(fā)射器211、212且不帶激活的一般觀察光源228時(shí)捕獲環(huán)境光圖像，以使得能夠確定和減去環(huán)境光明度。圖7示出了在圖2中描繪的本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的、當(dāng)被觀察對(duì)象206距可拆卸的針230 50mm時(shí)的、一行像素的兩個(gè)投射的陰影圖案201、202的明度比曲線711、712。各跨過一行像素，明度比曲線711示出了圖4的第一光發(fā)射器圖像400的明度值與圖5的第二發(fā)射器圖像500的明度值的比，并且明度比曲線712示出了圖5的第二發(fā)射器圖像500的明度值與圖4的第一發(fā)射器圖像400的明度值的比。能夠確定明度比曲線711、712，以便得到陰影中的更明確定義的點(diǎn)。能夠通過將跨過視場(chǎng)中的投射的陰影圖案201、202的整個(gè)寬度的明度輪廓611、612的每個(gè)除以明度輪廓611、612的另一個(gè)來確定明度比。能夠通過將對(duì)于第二光發(fā)射器212激活時(shí)捕獲的第二發(fā)射器圖像500的行Rl中的各像素所得到的亮度值除以對(duì)于第一光發(fā)射器211激活時(shí)捕獲的第一發(fā)射器圖像400的行Rl中的各像素所得到的亮度值，來得到在各明度比峰721、731、和741處具有局部最大明度比極值的明度比曲線711。能夠通過互逆除法(reciprocal division)來得到在各明度比峰722、732和742 處具有局部最大明度比極值的第二明度比曲線712。各曲線711、712在其中各陰影為最暗的各陰影的中心處呈現(xiàn)出陡峭的明度比峰。例如，明度比峰742相應(yīng)于圖6的明度輪廓谷 642和50mm處的圖2的線232。明度比曲線711,712的明度比峰721、731、741、722、732、 742 一般能夠是拋物線狀的，而明度輪廓611、612的明度輪廓谷621、631、641、622、632、642 一般能夠是線性的。當(dāng)僅捕獲具有陰影圖案201的第一發(fā)射器圖像400時(shí)，能夠使用圖像400的明度值和在沒有投射陰影圖案201、202的情況下的一般觀察圖像300或第二發(fā)射器圖像500的明度值來計(jì)算相同的除法，以得到明度比的值。由于在沒有陰影圖案201、202的情況下的圖像中的明度值會(huì)高，并且與明度輪廓谷621、631、641的底部處的低值相除的高值能產(chǎn)生高結(jié)果，因此仍然會(huì)發(fā)生陡峭的峰721、731、741。在示出的示例中，圖6的ν形明度輪廓谷621、631、641、622、632、642是可易于識(shí)別的。但是，對(duì)于非平坦、非平滑、和/或非規(guī)則的表面，光由于表面外形和光吸收的變化而典型地不均勻反射，導(dǎo)致圖像明度的大變化。創(chuàng)建圖像中的暗線的、諸如線或裂紋的表面特征可能難以與陰影加以區(qū)分，或者可能改變陰影谷的視位置(apparent position)。陰影還可以因表面外形而變形。在這些情況下，圖6的ν形明度輪廓谷621、631、641、622、632、 642可能難以直接識(shí)別。通過確定明度比得到的圖7的各拋物線狀曲線提供能夠可更容易地和具體地識(shí)別的、更好定義的點(diǎn)。亮度比峰721、731、741、722、732、和742越陡峭，則由于它們陡峭度的問題而能夠越易于辨別。對(duì)象距離還能夠使用局部最小明度比極值來確定。例如，作為明度比峰721、731、 741之間的局部最小明度比極值的明度比谷751、761能夠被辨別，并且用于確定對(duì)象距離。 明度比谷751、761能夠與明度比峰732、742的相應(yīng)的一個(gè)相關(guān)。例如，明度比谷751、761能夠通過用于確定明度比峰732、742的、互逆除法來得到。同樣地，能夠與明度比峰721、731 的相應(yīng)一個(gè)相關(guān)的各明度比谷752、762(例如，各明度比峰722、732、742之間的局部最小明度比極值)也能夠是可辨別的，并且用于確定對(duì)象距離。當(dāng)明度比谷751、761、752、762和 /或明度比峰721、731、741、722、732、742更密集地分組時(shí)，這些明度比谷751、761、752、762 能夠是更容易地被識(shí)別的，這通過谷751、761、752、762創(chuàng)建了更陡峭、更窄的曲線。在確定明度比中，如上所述，被觀察表面的反射率中的變化微小地影響結(jié)果明度比711、712，這是因?yàn)殛幱皥D案201、202相等地受到影響。例如，如果被觀察表面上的一個(gè)點(diǎn)反射20%的入射光，則反射具有入射強(qiáng)度1201的陰影圖案201中的20%的光，產(chǎn)生 0. 2X1201的反射強(qiáng)度。還反射具有入射強(qiáng)度1202的陰影圖案202中的20%的光，產(chǎn)生 0. 2X1202的反射強(qiáng)度。這些反射強(qiáng)度的比是0. 2X1201/(0. 2X1202)或1201/1202。因而，表面的反射比沒有實(shí)質(zhì)地影響明度比。雖然使用視頻檢驗(yàn)裝置100檢驗(yàn)的大多數(shù)區(qū)域幾乎不具有環(huán)境光，但是在某些應(yīng)用中可存在一些環(huán)境光。如果環(huán)境光的強(qiáng)度相對(duì)陰影區(qū)域中的投射圖案的強(qiáng)度很大，則環(huán)境光可降低投射陰影的暗度。在這類情況下，明度比峰721、731、741、722、732、和742的值減少，這可降低檢測(cè)明度比峰位置的可靠性和/或準(zhǔn)確性(依賴于減少的水平)。為了中和這種影響，在一個(gè)實(shí)施例中，在光發(fā)射器211、212和一般觀察光源2 禁用或停用時(shí)捕獲一個(gè)或多個(gè)環(huán)境圖像。然后，在確定明度比之前，從發(fā)射器圖像400、500的像素明度值中減去環(huán)境圖像的像素明度值。除非環(huán)境照明在捕獲圖像400、500的時(shí)間之間顯著改變，否則極大降低了環(huán)境光的影響，導(dǎo)致更大的明度比峰。在一個(gè)實(shí)施例中，某個(gè)閾值峰值(例如，5) 以下的所有明度比峰能夠被濾除，以去除可由入射光和/或暗度引起的任何峰。能夠識(shí)別每個(gè)局部明度比極值像素(例如，包含明度比峰或明度比谷的各像素)。 圖8是描繪了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、與單行像素Rl的明度比峰721、731、741、722、732、 742對(duì)應(yīng)的明度比峰像素802的識(shí)別的示意圖。能夠分析各像素。行Rl示出在其中發(fā)生明度比峰721、731、741、722、732、742的明度比峰像素802，如圖7中示例性示出的。包含明度比峰721、731、741、722、732、742的明度比峰像素802通過行Rl和列C7、C17、C27、C47、 C57中實(shí)心框來標(biāo)識(shí)。在示例性實(shí)施例中，由于表面是平滑且平坦的，所以示出的實(shí)心框?qū)⒃谥钡牧兄欣^續(xù)延伸穿過剩余行(假定陰影形成元件觀9、四0、291足夠長(zhǎng)，以在表示的整個(gè)視場(chǎng)上、沿Y維投射陰影)。這些列表示X-Y平面中的投射的陰影圖案201、202。非平坦和/或非平滑表面增加附加Z維度，其能夠在這個(gè)X-Y表示(具有呈現(xiàn)為彎曲、間斷或否則非筆直的線)中來捕獲。X-Y平面能夠被認(rèn)為是從被觀察對(duì)象206占據(jù)的三維空間折疊的二維平面。三維空間能夠在透鏡234的觀察方向中折疊到像素的X-Y平面中。在這種情況下，由于對(duì)象206是平坦的，因此X-Y平面真正只是二維平面。陰影能夠從可拆卸的針230來投射，使得對(duì)象206的任何Z維變化能夠沿投射陰影的路徑、作為陰影的 X維變化而被捕獲。能夠通過將明度比峰從圖8中示出的實(shí)心明度比峰像素802向左或向右移位來指示陰影的X維變化。
因此，X-Y平面中的陰影位置能夠用于確定陰影位置處的Z維對(duì)象距離。能夠基于像素在X-Y平面中的明度比峰值的位置，基于光發(fā)射器211、212、陰影形成元件觀9、四0、 291和/或其它針觀察光學(xué)器件(例如，透鏡234)的已知幾何形狀，來預(yù)測(cè)(例如，使用從元件的已知位置和角度的三角測(cè)量)距可拆卸的針230的、各陰影在Z維中的對(duì)象距離。例如，使用針觀察光學(xué)器件的已知幾何形狀，如果當(dāng)像素行R1、列C7所表示的實(shí)際位置處的被觀察對(duì)象206距可拆卸的針23050mm時(shí)，已知在行R1、列C7的明度比峰像素802將包含與陰影軌跡222相關(guān)聯(lián)的明度比峰值，則如果投射的陰影圖案201、202產(chǎn)生的圖像帶有的明度比具有在位于行R1、列C7的像素的明度比峰值，并且確定該峰與陰影軌跡222相關(guān)聯(lián)， 就能夠確定對(duì)象206上由行R1、列C7所表示的位置處于距可拆卸的針230 50mm的對(duì)象距離處。采用各光發(fā)射器211、212捕獲的發(fā)射器圖像400、500能夠與使用一般觀察光源 228捕獲的一般觀察圖像300相關(guān)。因此，對(duì)于使用光發(fā)射器211、212捕獲的發(fā)射器圖像 400,500中的特定像素確定的Z維對(duì)象距離也能夠與一般觀察光源2 激活期間捕獲的一般觀察圖像300中的對(duì)應(yīng)像素相關(guān)。繼續(xù)圖8的示例，由于由行R1、列C7處的明度比峰像素802和陰影軌跡222所表示的、對(duì)象206上的位置的對(duì)象距離已知為50mm，所以一般觀察圖像300上的行R1、列C7處的相同像素將具有50mm的對(duì)象距離。操作員能夠使用對(duì)象 206的一般觀察圖像300來確定從可拆卸的針230到被觀察對(duì)象206的對(duì)象距離或者對(duì)象 206上的具體位置處的被觀察對(duì)象206的空間特性。結(jié)構(gòu)光投射光學(xué)器件能夠配置成產(chǎn)生密集分組的明度比峰。這種密集分組幫助得到更多數(shù)據(jù)點(diǎn)，以便獲得對(duì)象206的更好表示。在存在明度比峰之間間隙的對(duì)象位置處的對(duì)象距離，能夠基于與具有明度比峰的像素相鄰的像素的像素?cái)?shù)據(jù)來估計(jì)，和/或幾乎沒有或沒有數(shù)據(jù)的區(qū)域的空間特性能夠基于獲得的數(shù)據(jù)來估計(jì)或者從獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插。例如，一旦對(duì)于各明度比峰位置或者每個(gè)明度比峰像素802，已知X、Y、和Z坐標(biāo)或行、列、Z坐標(biāo)，則曲線擬合能夠用于確定函數(shù)Z = f (X，Y)或Z = f (行，列)。列C7、C17、C27、C37、C47、 和C57中的陰影峰線的平直度與列C7、C17、C27、C37、C47、和C57中的線之間的常規(guī)間距相結(jié)合，以展現(xiàn)與列C7、C17、C27、C37、C47、和C57中的明度比峰像素802相關(guān)的每個(gè)位置處的均勻?qū)ο缶嚯x。在這些位置的這種均勻性指示平坦、平滑的表面。例如，如果沿列C17所表示的空間的整個(gè)長(zhǎng)度展現(xiàn)出均勻的脊線(ridge)，則可假定脊線均勻地減小(subside) 到列C7和C27處獲得的對(duì)象距離。當(dāng)Z維中的對(duì)象206的距離改變時(shí)，不同的陰影能夠呈現(xiàn)在具體像素處。在陰影區(qū)域之間的辨別對(duì)識(shí)別哪一個(gè)陰影區(qū)域用于確定對(duì)象距離是重要的。在一個(gè)實(shí)施例中，識(shí)別陰影區(qū)域能夠通過投射與其它陰影區(qū)域不同的一個(gè)陰影區(qū)域來實(shí)現(xiàn)。例如，不是如圖2中描繪的陰影形成元件觀9、四0、291全部是相同寬度，而是一個(gè)陰影形成元件觀9、四0、四1 能夠比其它陰影形成元件更寬或更窄，由此投射與其它陰影不同的一個(gè)陰影。在圖9中，例如，中心的陰影形成元件290窄于兩個(gè)外圍的陰影形成元件觀9、四1。所有陰影形成元件 289,290,291 定位在開口 292 中。圖10示出使用兩個(gè)光發(fā)射器211、212和三個(gè)陰影形成元件觀9、四0、四1的、本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的、對(duì)于距可拆卸的針230 50mm的平坦白色對(duì)象206捕獲的圖像的一行像素的明度輪廓911、912，一個(gè)圖像在第一光發(fā)射器211激活期間捕獲以及一個(gè)圖像在第二光發(fā)射器212激活期間捕獲，其中，中心的陰影形成元件290窄于外圍的陰影形成元件觀9、 291.圖10在50mm處與圖6相同，除了圖10中表示的、更窄的中心的陰影形成元件四0的效果之外。一個(gè)在第一光發(fā)射器211激活期間產(chǎn)生和成像以及另一個(gè)在第二光發(fā)射器212 激活期間產(chǎn)生和成像的、兩個(gè)結(jié)果的中心陰影能夠更窄，而且在中心不像其它陰影那么暗。 明度輪廓谷931和932表示這種有區(qū)別的質(zhì)量。明度輪廓谷931和932不像明度輪廓谷 921、922、941和942那么深或那么寬，表示與明度輪廓谷931和932相關(guān)聯(lián)的陰影不太暗 (例如，具有更大亮度)，并且更窄。能夠在圖11中描繪的對(duì)應(yīng)的明度比中更強(qiáng)調(diào)這種有區(qū)別的陰影質(zhì)量。圖11示出作為圖10中示出的明度輪廓911、912的比的明度比曲線1011、1012。 分別對(duì)應(yīng)于明度輪廓谷931、932處的明度輪廓911、912的明度值的、兩個(gè)明度比峰1031、 1032比其它明度比峰1021、1022、1041、1042短得多，并且因而能夠用于確定哪一個(gè)陰影軌跡與各明度比峰相關(guān)聯(lián)。可識(shí)別的明度比峰能夠用于確定從可拆卸的針230到被觀察對(duì)象 206的對(duì)象距離。也能夠利用其它方法來在陰影區(qū)域之間區(qū)分。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，圖像明度、 照相機(jī)增益、照相機(jī)曝光和光發(fā)射器驅(qū)動(dòng)參數(shù)能夠用來基于假定的表面反射率估計(jì)對(duì)象距離。然后，該估計(jì)的對(duì)象距離能夠進(jìn)一步與已知的投射幾何形狀一起使用，以確定哪一個(gè)陰影區(qū)域在幾何形狀中使用，從而確定從可拆卸的針230到被觀察對(duì)象206上的表面位置的正確距離。在另一個(gè)實(shí)施例中，能夠從可拆卸的針230的不同位置投射另一個(gè)投射的陰影圖案。投射的陰影圖案201、202的相對(duì)位置能夠用于區(qū)分諸如圖8中描繪那些的、明度比峰線。本書面描述使用示例來公開本發(fā)明，包括了最佳模式，并且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何并入的方法。本發(fā)明可專利的范圍由權(quán)利要求定義，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果這類其它示例具有與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言并無不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言具有非實(shí)質(zhì)差異的等同結(jié)構(gòu)元件，則它們規(guī)定為在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。配件表100視頻檢驗(yàn)裝置102延長(zhǎng)的探測(cè)器110插入管112成像器線束120,220探頭組裝件122探測(cè)器光學(xué)器件124成像器126成像器混合器128，228 —般觀察光源132針觀察光學(xué)器件130,230可拆卸的針138,238 通光元件
140探測(cè)器電子器件142成像器接口電子器件144校準(zhǔn)存儲(chǔ)器146微控制器150 CPU152程序存儲(chǔ)器154易失性存儲(chǔ)器156非易失性存儲(chǔ)器158 計(jì)算機(jī) I/O 接口160視頻處理器(一個(gè)或多個(gè))162視頻存儲(chǔ)器170整體顯示器172外部監(jiān)視器180操縱桿182 按鈕184小鍵盤186麥克風(fēng)201,202 陰影圖案206被觀察對(duì)象211第一光發(fā)射器212第二光發(fā)射器221，222，231，232，241，242 表示陰影軌跡的線234 透鏡236 棱鏡240電導(dǎo)線250 觸點(diǎn)286 管芯289，291外圍的陰影形成元件290中心的陰影形成元件292 開口300 一般觀察圖像313，314表示視場(chǎng)邊緣的線611，612 明度輪廓621,622,631,632,641,642 明度輪廓谷711,712明度比曲線721，722，731，732，741，742 明度比峰751，752，761，762 明度比谷802明度比峰像素911，912 明度輪廓
16
921,922,931,932,941,942 明度輪廓谷1011,1012明度比曲線1021，1022，1031，1032，1041，1042 明度比峰
權(quán)利要求
1.一種用于確定從視頻檢驗(yàn)裝置(100)的探測(cè)器(102)到對(duì)象Q06)的距離的、基于結(jié)構(gòu)光測(cè)量的方法，其中所述視頻檢驗(yàn)裝置(100)具有第一光發(fā)射器011)和第二光發(fā)射器012)，用于穿過具有至少一個(gè)陰影形成元件(觀9、四0、四1)的開口(四2)將光發(fā)射到所述對(duì)象(206)上，在所述光發(fā)射器(211、21幻被激活時(shí)在所述對(duì)象(206)上形成多個(gè)陰影， 所述方法包括步驟在所述第一光發(fā)射器011)激活而所述第二光發(fā)射器(21 停用時(shí)捕獲所述對(duì)象 (206)的至少一個(gè)第一發(fā)射器圖像G00)，其中，所述第一發(fā)射器圖像(400)具有由所述至少一個(gè)陰影形成元件O89、290、291)形成的第一陰影；在所述第二光發(fā)射器(21 激活而所述第一光發(fā)射器011)停用時(shí)捕獲所述對(duì)象 (206)的至少一個(gè)第二發(fā)射器圖像(500)，其中，所述第二發(fā)射器圖像(500)具有由所述至少一個(gè)陰影形成元件O89、290、291)形成的第二陰影；確定所述至少一個(gè)第一發(fā)射器圖像G00)中的像素的第一多個(gè)亮度值； 確定所述至少一個(gè)第二發(fā)射器圖像(500)中的像素的第二多個(gè)亮度值； 確定所述至少一個(gè)第一發(fā)射器圖像G00)中的像素的所述第一多個(gè)亮度值與所述至少一個(gè)第二發(fā)射器圖像(500)中的像素的所述第二多個(gè)亮度值的明度比；以及使用所述明度比來確定對(duì)象距離。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，使用所述明度比來確定所述對(duì)象距離的所述步驟還包括識(shí)別其中發(fā)生與所述第一陰影對(duì)應(yīng)的至少一個(gè)明度比極值的、所述至少一個(gè)第一發(fā)射器圖像G00)中的至少一個(gè)明度比極值像素，并且利用所述至少一個(gè)明度比極值像素的坐標(biāo)來確定所述對(duì)象距離。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述至少一個(gè)明度比極值是明度比峰(721、722、 731、732、741、742、1021、1022、1031、1041、1042)，并且所述至少一個(gè)明度比極值像素是明度比峰像素(802)。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述至少一個(gè)明度比極值是明度比谷(751、752、 761、76幻，并且所述至少一個(gè)明度比極值像素是明度比谷像素。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括步驟確定所述至少一個(gè)第二發(fā)射器圖像(500)中的像素的所述第二多個(gè)亮度值與所述至少一個(gè)第一發(fā)射器圖像G00)中的像素的所述第一多個(gè)亮度值的明度比；識(shí)別其中發(fā)生與所述第二陰影對(duì)應(yīng)的明度比極值的、所述至少一個(gè)第二發(fā)射器圖像 (500)中的明度比極值像素；以及識(shí)別并且確定所述明度比極值像素的至少一個(gè)的對(duì)象距離。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在一般觀察光源(128、228)激活而所述第一光發(fā)射器(211)和所述第二光發(fā)射器(21 停用時(shí)捕獲所述對(duì)象(206)的至少一個(gè)一般觀察圖像(300)，其中所述一般觀察圖像(300)沒有由所述至少一個(gè)陰影形成元件(觀9、四0、 291)形成的所述多個(gè)陰影的任何一個(gè)，并且其中，所述一般觀察圖像(300)在利用所述對(duì)象距離來執(zhí)行測(cè)量時(shí)顯示。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，基于多個(gè)第一發(fā)射器圖像G00)的平均，來執(zhí)行確定所述至少一個(gè)第一發(fā)射器圖像G00)中的像素的第一多個(gè)亮度值的所述步驟。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，基于多個(gè)第二發(fā)射器圖像(500)的平均，來執(zhí)行確定所述至少一個(gè)第二發(fā)射器圖像(500)中的像素的第二多個(gè)亮度值的所述步驟。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述至少一個(gè)第一發(fā)射器圖像(400)中的像素的所述第一多個(gè)亮度值包括所述至少一個(gè)第一發(fā)射器圖像G00)中的一行像素的亮度值。
10.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，識(shí)別其中發(fā)生與所述第一陰影對(duì)應(yīng)的至少一個(gè)明度比峰(721、722、731、732、741、742、1021、1022、1031、1032、1041、1042)的、所述至少一個(gè)第一發(fā)射器圖像G00)中的所述至少一個(gè)明度比峰像素的所述步驟包括步驟確定閾值峰值；以及去除明度比低于所述閾值峰值的任何明度比峰(721、722、731、732、741、742、1021、 1022、1031、1032、1041、1042)。
11.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，確定與所述至少一個(gè)第一發(fā)射器圖像000)中的所述明度比極值像素對(duì)應(yīng)的、所述至少一個(gè)一般觀察圖像(300)中的像素的對(duì)象距離的步驟，基于至少所述第一光發(fā)射器(211)和所述陰影形成元件O89、290、291)的已知幾何形狀。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括步驟在所述第一光發(fā)射器011)停用并且所述第二光發(fā)射器(21 停用時(shí)捕獲所述對(duì)象 (206)的至少一個(gè)環(huán)境圖像；確定所述至少一個(gè)環(huán)境圖像中的像素的第三多個(gè)亮度值；從所述至少一個(gè)第一發(fā)射器圖像G00)中的像素的所述第一多個(gè)亮度值中，減去所述至少一個(gè)環(huán)境圖像中的像素的所述第三多個(gè)亮度值；以及從所述至少一個(gè)第二發(fā)射器圖像(500)中的像素的所述第二多個(gè)亮度值中，減去所述至少一個(gè)環(huán)境圖像中的像素的所述第三多個(gè)亮度值。
13.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括步驟通過在與所述至少一個(gè)第一發(fā)射器圖像 (400)中的所述明度比極值像素對(duì)應(yīng)的所述至少一個(gè)一般觀察圖像(300)中的附近像素的對(duì)象距離之間進(jìn)行內(nèi)插，來確定所述第一發(fā)射器圖像G00)的像素的對(duì)象距離。
14.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，確定所述對(duì)象距離的步驟還包括使用所述明度比極值像素來確定多個(gè)對(duì)象距離，并且利用所述多個(gè)對(duì)象距離來估計(jì)非明度比極值像素位置處的對(duì)象距離。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，利用的所述步驟包括使用所述多個(gè)對(duì)象距離執(zhí)行曲線擬合。
全文摘要
本發(fā)明名稱為“基于結(jié)構(gòu)光測(cè)量的方法”。一種確定到對(duì)象(206)的距離的方法能夠使用包括第一光發(fā)射器(211)和第二光發(fā)射器(212)的視頻檢驗(yàn)裝置(100)，其中第一光發(fā)射器(211)能夠穿過具有至少一個(gè)陰影形成元件(289、290、291)的開口(292)發(fā)射光。該方法能夠包括在第一光發(fā)射器(211)激活而第二光發(fā)射器(212)停用時(shí)捕獲至少一個(gè)第一發(fā)射器圖像(400)，在第二光發(fā)射器(212)激活而第一光發(fā)射器(211)停用時(shí)捕獲至少一個(gè)第二發(fā)射器圖像(500)，確定至少一個(gè)第一發(fā)射器圖像(400)中的像素的第一多個(gè)亮度值，確定至少一個(gè)第二發(fā)射器圖像(50)中的像素的第二多個(gè)亮度值，確定第二多個(gè)亮度值與第一多個(gè)亮度值的明度比，以及使用該明度比來確定對(duì)象距離。
文檔編號(hào)G01C3/10GK102401646SQ20111021426
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月19日
發(fā)明者C·A·本達(dá)爾 申請(qǐng)人:通用電氣公司