光学三维测量由辐形地相称被构造的轻的投射
这个被构造的轻的投射技术被开发了的孔和管的检查。 与其他人对比, 三角测量基地与视线是平行的。 系统特点运用这个测量方法是如下: 高准确性在宽角度区域, 最小的直径, 测量的对称对视线, 并且被简化的同等的演算。 原型应用是下水道检查机器人的光学KARO 。 应用领域是医疗或技术宽角度检查系统(e.g., endoscopes) 。 @1997 美国的光学社会
关键词: 被构造的轻的投射, 空心空间, 管检查, endoscopes 。
介绍
图象形成三维(3d 的) 一张二维图片世界引起在一个客观透镜的图象飞机。 各个图象的元素对应于3d 的一个pyramidal 容量元素场面。因而图象单独允许只通过对象的3d 的估计座标当景深被使用。
一个方法经常使用测量3d 座标是被构造的光的投射:测量对象被阐明以被构造的光以明确定义和知道的射线。 同等的演算根据位差在照相机和照明之间和三角测量的原则。
在常用的被构造的轻的测量系统, 探测器和放映机是肩并肩lolized (垂直对光线) 。在这些安排测量增加以距离在光学系统之间。 最佳的准确性是achable 在区域在系统前面(射线角度是几乎相等的) 的地方,为许多技术应用。 并且是最有趣的区域。但这个系统特性不是理想的为管的spection,管子,并且空心空间,i.e.,为系统譬如下水道检查机器人和endoscopes,那里有几乎没有对象直接地在检查头前面并且宽角度客观透镜被使用检查空心空间的墙壁的地方当系统行动通过它。 为这些应用被构造的轻的测量原则的修改被开发了在Fraunhofer-Institut 毛皮信息und Datenverarbeitung 。 在这修改照明和客观透镜是located(virtually) 在同样光学轴, 并且三角测量基础线(距离在对象之间- 透镜的旁边主要飞机和来源照明) 位于这个共同的光学轴。 在速写测量原则和它以后与一个标准被构造的轻的系统比较, 我们表示, 这修改有重大好处为宽角度测量问题:
测量准确性由距离不影响在照明和照相机垂线之间到视线。
这些系统是理想的为检查系统一条最小的直径是必要的应用。
他们测量以高准确性在wideangle 区域。
他们旋转提供相称测量和测量准确性垂直对光学轴。
当这个对称被使用, 同等的演算被简化。
这些好处表示, 测量原则是理想的为宽角度检查问题, i.e., endoscopic 测量系统和管和孔检查系统。 被显示进一步在续集这项测量原则的应用在一个光学系统为下水道检查。
2.被构造的轻的投射技术的基本原则
图1 说明光学3D 测量的原则由被构造的轻的投射: 点P, 透镜L(focal 长度f) 的中心, 并且laser 确定trangle 为P 的测量。 角度w 和laser 的距离到光学轴是系统parameters(determined 由系统的定标) 。 中央光芒的角度从对象通过透镜被计算从图象点B 。 因而三角laser 透镜P 是完全地坚定的。
从图象的基本的等式形成随后而来
第二个等式为确定对象座标由照明的情况给; i.e., 点P 由激光束阐明, 谁的光芒被描述
一个供选择的观点, 那这项测量原则,并且被显示在Fig.1 等效与看待基础线b 因为参考为演算是对激光束的交叉点的用途以光学轴在a 。 激光束然后被描述
对象座标被计算
各自地。 由一个轻的样式的投射对应于那速写的laser,转动在potical 轴附近, 一个相称测量系统完全地旋转被获得:一个系统为光学3D 测量由tadially 相称被构造的轻的投射。
3.Mesurement 原则
与射线分离机它是可能获得实际上照相机和一台被构造的轻的放映机的相同光学轴。当相称structured(light 锥体) 辐形地被射出, 这样系统辐形地测量相称轻的交叉点, 当移动d centrically 通过圆筒。 所有被测量的点位于圈子一条飞机垂线对圆筒轴。 因而圆筒墙壁的一次完全3D 测量进行在一条交叉点飞机垂线对圆筒轴。 由光学安排的对称, 图象has(fot 同类的表面和照明) 恒定的亮光在完全总值圈子, 并且所有点被测量以同样准确性。
由于对称对光学轴, 对象座标的演算被简化。 获得惯例为计算座标, 它是充足看待一点P 以cootdinates(R,Z) 垂线在potical 轴的方向。 坐标系的起源是源泉的计划的样式是at(0 对象边主要飞机的中心,a)(see Figs.2 和3) 。
使用图象形成和照明的等式, 我们获得等式为对象座标演算:
计量误差@ @ 故意的座标, 起因于错误@ r 的测量在图象飞机,是
Fig.2 。 操作原理光学3D 测量的由辐形地相称被构造的轻的投射。
图(图 4 和5) 相对测量准确性对距离垂线在光学轴展示的方向测量的对称对光学轴(R=0) 。
Fig.3 。 一个系统的轻的交叉点的典型的样式使用辐形地相称被构造的轻的投射; 一种长方形固体是被观察的说谎在飞机上。
Fig.4 。 光学3D 测量系统的相对测量准确性使用辐形地相称被构造的轻的投射: 辐形座标被显示。
4. 一个被构造的轻的投射系的标准安排
显示提出的测量原则的物产和可能的应用, 我们它与照相机和被构造的轻的放映机是被找出的边由边在距离的一个标准安排比较(基础线) b 。 在标准安排放映机散发轴与照相机的光学轴是平行的一个轻的锥体。 坐标系id 的起源客观透镜的对象边原则飞机的中心。
区别在这样安排和新系统之间变得明显由比较Fig.2 和6, 标准安排的剪影在飞机由光学轴和距离b 给在放映机和照相机之间。 由于不对称的安排, 轻的部分以不对称的安排, 轻的部分与圆筒墙壁还不对称。 一边被测量在一个短的距离以相对地高准确性, 但是其他被测量在一个更大的距离以被减少的准确性。 测量点的不同的距离到放映机和照相机导致在印象的轻的部分的强度上大变化。 促进在有限的景深图象形成的导致一个部份地不锋利的图象。
惯例为同等的演算在Y=0 飞机是
Fig.5 光学3D 测量系统的相对测量准确性使用辐形地相称被构造的轻的投射: Z 座标被显示。
Fig.6 。 一个标准安排的例子为光学3D 测量系统由被构造的轻的投射。
X 的决心的计量误差@x 在那架飞机里由(10) 给
那里@x 是同等的x 的测量的错误(在图象飞机) 。
Z 的决心的计量误差@z 由(13) 给
测量准确性的比较与thar 提出的系统表示, 标准安排提供更好的准确性在区域在光学前面, 但是他们显著减少了准确性在外面地区(参见Fig.7) 。 一个标准安排的最小的计量误差区域, 当你看入管。
Fig.7 。 Fig.6 (坚实曲线的) 标准安排的测量准确性的比较与那提出系统(参见Fig.2) (被加点的曲线): X 座标的测量准确性被显示。
由于标准安排提供更好的测量准确性只在这个区域, 提出的测量原则更好适用为孔和管检查系统。
除标准安排的被减少的测量准确性之外在外面地区, 由于问题以上提到由于强度变异和景深, 测量准确性不对称(参见Figs.7 和8) 或者在X 座标和在X 和Y 座标之间。 促进在惯例为对象座标的演算是更复合体[ 参见Eqs 。(14)-(16) ]; e 。g 。 计算长期需要:
Fig.8 。 测量准确性的比较Z 协调测量被显示。
5.光学3d 测量系统的应用由辐形地使用相称被构造的轻的投射
测量方法概述的主要好处上面是照明和照相机垂线的独立对光学轴。 因而测量系统以最小的直径可能被设计。原则理想地适用与endoscopes 和其它检查系统以有限的直径。
有利被构造的轻的放映机使用阐明全息照相的滤栅的laser 。 这样放映机能射出结构以宽景深。 最小的维度放映机也许包括laser 二极管或monomode
纤维和小全息照相的滤栅。 这样系统进一步根本组分是射线分离机, 光学为图象形成(参见一种最小的配置的剪影,fig 9), 并且照相机, 图象输送管道, 或纤维捆绑。
在系统被开发这里(e.g.,fig.10),轻的结构被选择包括七个同心圆。 当检查机器人centrically 被引导通过一条圆柱形下水道, 它测量一条完全部分垂线对管子轴每测量间隔时间。 由被测量的和能忍受的半径比较,瑕疵在管子自动地被查出
下水道的视力检查不应该由3d 影响测量。 因而解答为管检查机器人是一个光学系统实际上包括以下元素以同样光学轴(参见fig.11)
一台被构造的轻的放映机包括半导体laser, 全息照相的滤栅, 并且光学为射线扩展。
一台颜色摄像机为视力检查。
一台单色照相机为测量。
两台照相机使用同样迅速移动客观透镜和被结合以一面架设的棱镜补尝图象自转, 发生当光学被转动和或指挥对管子的墙壁, 他们观察同样对象段但由波长完全地分离(由对一台二向色性的射线分离机的用途为laser 波长780 毫微米) 。 这个系统允许下水道的舒适的视力检查: 检测瑕疵(自动地) 是精确地可测量的由指挥光学在瑕疵和迅速移动, 但是图象的水平的取向由架设的棱镜控制。 瑕疵的有趣的点由操作员标记在颜色电视图象和由3d 自动地测量系统。 becase 3d 系统确切地观察同样场面, 这执行没有操作员的进一步行动。 因而操作员服务只根据颜色电视图象, 并且3d 测量系统自动地提取有趣的对象结构, 没有特别留意需要从操作员
作者承认德国教育部的支持和研究(以前部研究和技术) 。
这个被构造的轻的投射技术被开发了的孔和管的检查。 与其他人对比, 三角测量基地与视线是平行的。 系统特点运用这个测量方法是如下: 高准确性在宽角度区域, 最小的直径, 测量的对称对视线, 并且被简化的同等的演算。 原型应用是下水道检查机器人的光学KARO 。 应用领域是医疗或技术宽角度检查系统(e.g., endoscopes) 。 @1997 美国的光学社会
关键词: 被构造的轻的投射, 空心空间, 管检查, endoscopes 。
介绍
图象形成三维(3d 的) 一张二维图片世界引起在一个客观透镜的图象飞机。 各个图象的元素对应于3d 的一个pyramidal 容量元素场面。因而图象单独允许只通过对象的3d 的估计座标当景深被使用。
一个方法经常使用测量3d 座标是被构造的光的投射:测量对象被阐明以被构造的光以明确定义和知道的射线。 同等的演算根据位差在照相机和照明之间和三角测量的原则。
在常用的被构造的轻的测量系统, 探测器和放映机是肩并肩lolized (垂直对光线) 。在这些安排测量增加以距离在光学系统之间。 最佳的准确性是achable 在区域在系统前面(射线角度是几乎相等的) 的地方,为许多技术应用。 并且是最有趣的区域。但这个系统特性不是理想的为管的spection,管子,并且空心空间,i.e.,为系统譬如下水道检查机器人和endoscopes,那里有几乎没有对象直接地在检查头前面并且宽角度客观透镜被使用检查空心空间的墙壁的地方当系统行动通过它。 为这些应用被构造的轻的测量原则的修改被开发了在Fraunhofer-Institut 毛皮信息und Datenverarbeitung 。 在这修改照明和客观透镜是located(virtually) 在同样光学轴, 并且三角测量基础线(距离在对象之间- 透镜的旁边主要飞机和来源照明) 位于这个共同的光学轴。 在速写测量原则和它以后与一个标准被构造的轻的系统比较, 我们表示, 这修改有重大好处为宽角度测量问题:
测量准确性由距离不影响在照明和照相机垂线之间到视线。
这些系统是理想的为检查系统一条最小的直径是必要的应用。
他们测量以高准确性在wideangle 区域。
他们旋转提供相称测量和测量准确性垂直对光学轴。
当这个对称被使用, 同等的演算被简化。
这些好处表示, 测量原则是理想的为宽角度检查问题, i.e., endoscopic 测量系统和管和孔检查系统。 被显示进一步在续集这项测量原则的应用在一个光学系统为下水道检查。
2.被构造的轻的投射技术的基本原则
图1 说明光学3D 测量的原则由被构造的轻的投射: 点P, 透镜L(focal 长度f) 的中心, 并且laser 确定trangle 为P 的测量。 角度w 和laser 的距离到光学轴是系统parameters(determined 由系统的定标) 。 中央光芒的角度从对象通过透镜被计算从图象点B 。 因而三角laser 透镜P 是完全地坚定的。
从图象的基本的等式形成随后而来
第二个等式为确定对象座标由照明的情况给; i.e., 点P 由激光束阐明, 谁的光芒被描述
一个供选择的观点, 那这项测量原则,并且被显示在Fig.1 等效与看待基础线b 因为参考为演算是对激光束的交叉点的用途以光学轴在a 。 激光束然后被描述
对象座标被计算
各自地。 由一个轻的样式的投射对应于那速写的laser,转动在potical 轴附近, 一个相称测量系统完全地旋转被获得:一个系统为光学3D 测量由tadially 相称被构造的轻的投射。
3.Mesurement 原则
与射线分离机它是可能获得实际上照相机和一台被构造的轻的放映机的相同光学轴。当相称structured(light 锥体) 辐形地被射出, 这样系统辐形地测量相称轻的交叉点, 当移动d centrically 通过圆筒。 所有被测量的点位于圈子一条飞机垂线对圆筒轴。 因而圆筒墙壁的一次完全3D 测量进行在一条交叉点飞机垂线对圆筒轴。 由光学安排的对称, 图象has(fot 同类的表面和照明) 恒定的亮光在完全总值圈子, 并且所有点被测量以同样准确性。
由于对称对光学轴, 对象座标的演算被简化。 获得惯例为计算座标, 它是充足看待一点P 以cootdinates(R,Z) 垂线在potical 轴的方向。 坐标系的起源是源泉的计划的样式是at(0 对象边主要飞机的中心,a)(see Figs.2 和3) 。
使用图象形成和照明的等式, 我们获得等式为对象座标演算:
计量误差@ @ 故意的座标, 起因于错误@ r 的测量在图象飞机,是
Fig.2 。 操作原理光学3D 测量的由辐形地相称被构造的轻的投射。
图(图 4 和5) 相对测量准确性对距离垂线在光学轴展示的方向测量的对称对光学轴(R=0) 。
Fig.3 。 一个系统的轻的交叉点的典型的样式使用辐形地相称被构造的轻的投射; 一种长方形固体是被观察的说谎在飞机上。
Fig.4 。 光学3D 测量系统的相对测量准确性使用辐形地相称被构造的轻的投射: 辐形座标被显示。
4. 一个被构造的轻的投射系的标准安排
显示提出的测量原则的物产和可能的应用, 我们它与照相机和被构造的轻的放映机是被找出的边由边在距离的一个标准安排比较(基础线) b 。 在标准安排放映机散发轴与照相机的光学轴是平行的一个轻的锥体。 坐标系id 的起源客观透镜的对象边原则飞机的中心。
区别在这样安排和新系统之间变得明显由比较Fig.2 和6, 标准安排的剪影在飞机由光学轴和距离b 给在放映机和照相机之间。 由于不对称的安排, 轻的部分以不对称的安排, 轻的部分与圆筒墙壁还不对称。 一边被测量在一个短的距离以相对地高准确性, 但是其他被测量在一个更大的距离以被减少的准确性。 测量点的不同的距离到放映机和照相机导致在印象的轻的部分的强度上大变化。 促进在有限的景深图象形成的导致一个部份地不锋利的图象。
惯例为同等的演算在Y=0 飞机是
Fig.5 光学3D 测量系统的相对测量准确性使用辐形地相称被构造的轻的投射: Z 座标被显示。
Fig.6 。 一个标准安排的例子为光学3D 测量系统由被构造的轻的投射。
X 的决心的计量误差@x 在那架飞机里由(10) 给
那里@x 是同等的x 的测量的错误(在图象飞机) 。
Z 的决心的计量误差@z 由(13) 给
测量准确性的比较与thar 提出的系统表示, 标准安排提供更好的准确性在区域在光学前面, 但是他们显著减少了准确性在外面地区(参见Fig.7) 。 一个标准安排的最小的计量误差区域, 当你看入管。
Fig.7 。 Fig.6 (坚实曲线的) 标准安排的测量准确性的比较与那提出系统(参见Fig.2) (被加点的曲线): X 座标的测量准确性被显示。
由于标准安排提供更好的测量准确性只在这个区域, 提出的测量原则更好适用为孔和管检查系统。
除标准安排的被减少的测量准确性之外在外面地区, 由于问题以上提到由于强度变异和景深, 测量准确性不对称(参见Figs.7 和8) 或者在X 座标和在X 和Y 座标之间。 促进在惯例为对象座标的演算是更复合体[ 参见Eqs 。(14)-(16) ]; e 。g 。 计算长期需要:
Fig.8 。 测量准确性的比较Z 协调测量被显示。
5.光学3d 测量系统的应用由辐形地使用相称被构造的轻的投射
测量方法概述的主要好处上面是照明和照相机垂线的独立对光学轴。 因而测量系统以最小的直径可能被设计。原则理想地适用与endoscopes 和其它检查系统以有限的直径。
有利被构造的轻的放映机使用阐明全息照相的滤栅的laser 。 这样放映机能射出结构以宽景深。 最小的维度放映机也许包括laser 二极管或monomode
纤维和小全息照相的滤栅。 这样系统进一步根本组分是射线分离机, 光学为图象形成(参见一种最小的配置的剪影,fig 9), 并且照相机, 图象输送管道, 或纤维捆绑。
在系统被开发这里(e.g.,fig.10),轻的结构被选择包括七个同心圆。 当检查机器人centrically 被引导通过一条圆柱形下水道, 它测量一条完全部分垂线对管子轴每测量间隔时间。 由被测量的和能忍受的半径比较,瑕疵在管子自动地被查出
下水道的视力检查不应该由3d 影响测量。 因而解答为管检查机器人是一个光学系统实际上包括以下元素以同样光学轴(参见fig.11)
一台被构造的轻的放映机包括半导体laser, 全息照相的滤栅, 并且光学为射线扩展。
一台颜色摄像机为视力检查。
一台单色照相机为测量。
两台照相机使用同样迅速移动客观透镜和被结合以一面架设的棱镜补尝图象自转, 发生当光学被转动和或指挥对管子的墙壁, 他们观察同样对象段但由波长完全地分离(由对一台二向色性的射线分离机的用途为laser 波长780 毫微米) 。 这个系统允许下水道的舒适的视力检查: 检测瑕疵(自动地) 是精确地可测量的由指挥光学在瑕疵和迅速移动, 但是图象的水平的取向由架设的棱镜控制。 瑕疵的有趣的点由操作员标记在颜色电视图象和由3d 自动地测量系统。 becase 3d 系统确切地观察同样场面, 这执行没有操作员的进一步行动。 因而操作员服务只根据颜色电视图象, 并且3d 测量系统自动地提取有趣的对象结构, 没有特别留意需要从操作员
作者承认德国教育部的支持和研究(以前部研究和技术) 。
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