專利名稱：關(guān)于利用結(jié)構(gòu)光的探頭系統(tǒng)的系統(tǒng)方面的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文所述的主題主要涉及管道鏡和內(nèi)窺鏡，并且更具體地說，涉及提供3D表面映 射和尺寸測量的管道鏡/內(nèi)窺鏡。
背景技術(shù)：
管道鏡和內(nèi)窺鏡一般用于遠端腔的檢查。在本文中稱為探頭的大多數(shù)管道鏡/內(nèi) 窺鏡采用耦合到探頭中的光纖束的外部光源來提供遠端處的表面或遠處物體的照明。在物 體被照亮?xí)r，內(nèi)部圖像由圖像傳感器上的透鏡系統(tǒng)形成，并且圖像被傳遞到諸如顯示屏等 連接的顯示器。圖像傳感器可和光學(xué)剛性管道鏡或纖維鏡一樣位于探頭的近端，或者和視 頻管道鏡或內(nèi)窺鏡一樣位于遠端。此類系統(tǒng)通常用于檢查不可觸及位置的損壞或磨損，或 者驗證部件已正確制造或組裝。除其它之外，需要獲得尺寸測量以驗證損壞或磨損未超過 操作限制或者制造的部件或裝配件符合其規(guī)范?？赡芤残枰a(chǎn)生用于與參考比較的3D模 型或表面圖、3D觀察、逆向工程或詳細的表面分析。 相移技術(shù)很適合解決這些測量需要，但其在管道鏡或內(nèi)窺鏡中的實現(xiàn)提出了許多 系統(tǒng)級難題。需要以產(chǎn)生可靠且易于使用的系統(tǒng)的方式來解決這些難題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種探頭系統(tǒng)包括成像器和檢查光源。探頭系統(tǒng)配置成 在檢查模式和測量模式中操作。在檢查模式期間，啟用檢查光源。在測量模式期間，禁用檢查 光源，并投射結(jié)構(gòu)光圖案(structured-light pattern)。探頭系統(tǒng)還配置成捕獲至少一個測 量模式圖像。在所述至少一個測量模式圖像中，結(jié)構(gòu)光圖案被投射到物體上。探頭系統(tǒng)配置 成利用來自所述至少一個測量模式圖像的像素值以確定所述物體的至少一個幾何尺寸。
在本發(fā)明的另一個實施例中，探頭系統(tǒng)包括成像器，并且探頭系統(tǒng)配置成在檢查 模式和測量模式中操作。在檢查模式期間投射散射照明光，在測量模式期間投射結(jié)構(gòu)光圖 案。探頭系統(tǒng)還配置成捕獲至少一個測量模式圖像。在所述至少一個測量模式圖像中，結(jié) 構(gòu)光圖案被投射到物體上。探頭系統(tǒng)配置成利用來自所述至少一個測量模式圖像的像素值 以確定所述物體的至少一個幾何尺寸。探頭系統(tǒng)還配置成檢測多個圖像的兩個或更多圖像 的捕獲之間的探頭與所述物體之間的相對移動。


下面的詳細描述參照附圖進行， 中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的管道鏡/內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的示意圖。 圖2是示出從F0V的一側(cè)投射的示范投射集的軌線的圖。 圖3是示出相對于視野(field of view)的第一和第二示范投射集的每個中一個 條紋集(fringe set)的結(jié)構(gòu)線的軌線的圖。 圖4是示出在運動檢測中涉及的步驟的示范實施例的流程圖。 圖5是示出在運動檢測中涉及的步驟的示范備選實施例的流程圖。 圖6是示出在本發(fā)明的圖像捕獲序列期間涉及的步驟的示范實施例的流程圖。
具體實施例方式
圖1中所示示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的管道鏡/內(nèi)窺鏡系統(tǒng)或探頭系統(tǒng)10。 插入管40包括延長部分46和可分離的末端42。延長部分46包括主要的長柔性部分、彎 曲頸部和攝像頭。輪廓標線41示出攝像頭在延長部分46上何處開始。延長部分46的攝 像頭一般包括至少成像器12、電子器件13和探頭光學(xué)器件15?？煞蛛x末端42 —般附連到 上述延長部分46的攝像頭?？煞蛛x末端42包含觀察光學(xué)器件44，該光學(xué)器件與探頭光學(xué) 器件15組合使用以將從被觀察的表面或物體(未示出)接收的光引導(dǎo)和集中到成像器12 上。 末端42中所示的元件能備選位于延長部分46上。這些元件包括觀察光學(xué)器件 44、至少一個發(fā)射器模塊37、至少一個強度調(diào)制元件38及通光元件43。另外，包括多個光
發(fā)射器的至少一個光發(fā)射器模塊37能固定附連到插入管40，同時該至少一個強度調(diào)制元 件放置在可分離末端42上。這種情況下，需要在可分離末端42與延長部分46之間進行精 確的和可重復(fù)的對齊，但由于允許不同的視野，同時消除了對延長部分46與可分離末端42 之間觸點的需要，因此，這是有利的。 如圖1所示，成像器12位于插入管40的遠端。備選地，成像器12可位于插入管 40的近端。該備選配置例如可在剛性管道鏡或纖維鏡中適用。 成像器12獲得被觀察的表面的至少一個圖像。成像器12可包括例如響應(yīng)在每個 像素感覺的光級而輸出視頻信號的光敏像素的二維陣列。成像器12可包括電荷耦合器件 (CCD)、互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器或類似功能的其它器件。視頻信號由電 子器件13緩沖并經(jīng)信號線14傳輸?shù)匠上衿鹘涌陔娮悠骷?1。成像器接口電子器件31可 包括例如電源、用于生成成像器時鐘信號的時序生成器、用于數(shù)字化成像器視頻輸出信號 的模擬前端及用于將數(shù)字化的成像器視頻數(shù)據(jù)處理成對視頻處理器50更有用的格式的數(shù) 字信號處理器(DSP)51。 視頻處理器50執(zhí)行各種功能，不限于圖像捕獲、圖像增強、圖形覆蓋合并和視頻 格式轉(zhuǎn)換，并在視頻存儲器52中存儲與那些功能有關(guān)的信息。視頻處理器50可包括現(xiàn)場 可編程門陣列(FPGA)、相機DSP(camera DSP)或其它處理元件，并提供信息到中央處理器 (CPU) 56并從其接收信息。提供和接收的信息可涉及命令、狀態(tài)信息、視頻、靜態(tài)圖像和/ 或圖形覆蓋。視頻處理器50也輸出信號到各種監(jiān)視器，如計算機監(jiān)視器22、視頻監(jiān)視器20 和集成顯示器21。視頻處理器50還包括運動檢測模塊53和/或條紋對比度確定功能54。 備選地，下述的CPU 56或微控制器30或包括相機控制電子器件(未示出)的探頭電子器 件48可包括運動檢測模塊53。
在已連接時，計算機監(jiān)視器22、視頻監(jiān)視器20和/或集成顯示器21的每個通常顯 示處于檢查下的表面或物體的圖像、菜單、光標和測量結(jié)果。計算機監(jiān)視器22 —般是外部 計算機類型監(jiān)視器。類似地，視頻監(jiān)視器20—般包括外部視頻監(jiān)視器。集成顯示器21集 成并內(nèi)置到探頭系統(tǒng)10中，并且一般包括液晶顯示器(LCD)。 CPU 56優(yōu)選使用程序存儲器58和非易失性存儲器60，其可包括可移動存儲裝 置。CPU 56也可為程序執(zhí)行和臨時存儲使用諸如RAM等易失性存儲器。小鍵盤64和操縱 桿62將用戶輸入輸送到CPU56以實現(xiàn)諸如菜單選擇、光標移動、滑動塊調(diào)整和清晰度控制 (articulation control)等此類功能。計算機I/O接口 66提供到CPU 56的各種計算機接 口，如USB、火線(Firewire)、以太網(wǎng)、音頻I/0及無線收發(fā)器。諸如鍵盤或鼠標等另外的用 戶1/0裝置可連接到計算機1/0接口 66以提供用戶控制。CPU 56生成用于顯示的圖形覆 蓋數(shù)據(jù)，提供調(diào)用功能(recall function)和系統(tǒng)控制，執(zhí)行相移分析和測量處理，以及提 供圖像、視頻和音頻存儲。CPU 56和前面所述視頻處理器50可組合成探頭系統(tǒng)10的一個 元件。另外，包括但不限于CPU 56和視頻處理器50的探頭系統(tǒng)10的組件可集成并內(nèi)置到 探頭系統(tǒng)10中，或備選地位于外部。 對于至少一個發(fā)射器模塊37，來自該至少一個發(fā)射器模塊37的光將至少一個 結(jié)構(gòu)光圖案投射在適合相移分析的表面上。結(jié)構(gòu)光圖案優(yōu)選地包括包含正弦強度輪廓 (sinusoidal intensity profile)的暗線和平行光。在與適當(dāng)?shù)南嘁品治鲆黄鹗褂脮r，具 有方形、梯形、三角形或其它輪廓的線條圖案也可投射在表面上以確定圖案的相位。圖案也 可包括直線、平行線外的其它線條。例如，可結(jié)合適當(dāng)?shù)姆治鍪褂们€、波浪線、鋸齒線或其 它此類圖案。 從至少一個發(fā)射器模塊37投射的結(jié)構(gòu)光圖案可以多種方式形成。發(fā)射器模塊37
可包括形成以包括適當(dāng)?shù)钠叫泄夂桶稻€的至少一個發(fā)光元件。來自發(fā)光元件的光可通過強
度調(diào)制元件38。備選地，發(fā)射器模塊37可包括多個光發(fā)射器。多個光發(fā)射器可策略性地定
位以便在表面上形成結(jié)構(gòu)光圖案，和/或來自多個光發(fā)射器的光可通過強度調(diào)制元件38。
在本發(fā)明的一個實施例中，強度調(diào)制元件38包括線條光柵(line grating)，在來自發(fā)射器
模塊37的光通過到達表面或物體(未示出)時，該光柵形成結(jié)構(gòu)光圖案。 多個條紋集從探頭投射到被觀察的表面或物體上。條紋集包括至少一個結(jié)構(gòu)光圖
案。 一個條紋集的結(jié)構(gòu)光圖案展示相對于其它條紋集的結(jié)構(gòu)光圖案的空間偏移或相移。結(jié)
構(gòu)光圖案優(yōu)選地包括包含正弦強度輪廓的暗線和平行光。在與適當(dāng)?shù)南嘁品治鲆黄鹗褂?br> 時，具有方形、梯形、三角形或其它輪廓的線條圖案也可投射在表面上以確定圖案的相位。
圖案也可包括直線、平行線外的其它線條。例如，可結(jié)合適當(dāng)?shù)姆治鍪褂们€、波浪線、鋸齒
線或其它此類圖案。 當(dāng)發(fā)射器模塊37包括多個光發(fā)射器時，條紋集包括在包含一組至少一個光發(fā)射 器的一個發(fā)射器組正在發(fā)光時投射的結(jié)構(gòu)光圖案。換而言之，多個光發(fā)射器的不同子集發(fā) 光以投射多個結(jié)構(gòu)光圖案的每個圖案。發(fā)射器模塊37的多個光發(fā)射器經(jīng)定位，使得一個發(fā) 射器組正在發(fā)光時投射的結(jié)構(gòu)光圖案展示相對于其它發(fā)射器組正在發(fā)光時投射的結(jié)構(gòu)光 圖案的空間偏移或相移。 來自放置在可分離末端42上的多個光發(fā)射器的光通過至少一個強度調(diào)制元件38 以改變光的分布，并且在適合相移分析的被觀察的表面上投射至少一個結(jié)構(gòu)光圖案。在一
6個實施例中，包括發(fā)射器組的多個光發(fā)射器沿垂直于線條光柵上線條的軸間隔分開，分開 距離等于線條光柵的周期的整數(shù)。結(jié)果，在包括一個發(fā)射器組的多個光發(fā)射器同時發(fā)光時， 多個發(fā)射器的每個產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光圖案加在一起。這形成的線條圖案將比單個發(fā)射器元件生 成的更明亮。 在另一個實施例中，發(fā)射器組中的多個光發(fā)射器布置在平行于線條光柵上線條的 線條中，并且串聯(lián)地電連接。相對于使用單個發(fā)射器將需要的電流而言，此方案減少了實現(xiàn) 給定光輸出所需的電流。由于發(fā)射器功率通常通過具有相當(dāng)大電阻的小導(dǎo)線供應(yīng)，并且減 少驅(qū)動電流減少了在導(dǎo)線中消耗和發(fā)射器驅(qū)動電路供應(yīng)的功率，因此這是有益的。
多個發(fā)光二極管(LED)可包括至少一個發(fā)射器模塊37的多個光發(fā)射器。LED在探 頭系統(tǒng)10中是可行的，這至少是因為LED提供持續(xù)、均勻的照明，不會形成斑點，以及在條 紋集之間的快速切換。然而，提供上述質(zhì)量的任何發(fā)光源均足以在探頭系統(tǒng)10中使用。其 它此類光源包括但不限于有機LED、等離子元件(plasma element)、光纖耦合激光器和激光 器陣列。 可分離末端42上的至少一個發(fā)射器模塊37可還包括用于發(fā)射器的控制/定序、 感測溫度和校準數(shù)據(jù)的存儲/檢索的電子器件。該至少一個發(fā)射器模塊37可包括陶瓷或 金屬散熱器，例如用于降低多個光發(fā)射器的溫度上升。 系統(tǒng)10還包括通過攝像頭將延長部分46電耦合到可分離末端42的觸點36。觸 點36可以是彈簧加載的，并且還將電能從驅(qū)動導(dǎo)體35提供到發(fā)射器模塊37。在本發(fā)明的 一個實施例中，驅(qū)動導(dǎo)體35將功率從發(fā)射器驅(qū)動32運送到放置在插入管40的遠端上的多 個光發(fā)射器。驅(qū)動導(dǎo)體35包括一根或多根導(dǎo)線，并且可與信號線14結(jié)合在共同的外護層 (未示出)中。驅(qū)動導(dǎo)體35也可與信號線14共享導(dǎo)體和/或利用插入管40結(jié)構(gòu)來運送電 流。發(fā)射器驅(qū)動32包括例如可調(diào)整的電流源，其具有時間上的變量以補償具有不同功率能 力和效率的光發(fā)射器。 如上所述，視頻處理器50或CPU 56包括亮度或條紋對比度確定功能54，以確定 應(yīng)為每個發(fā)射器組啟用一個發(fā)射器還是多個發(fā)射器。在本發(fā)明的一個實施例中，亮度確定 功能54與發(fā)射器驅(qū)動32通信，以選擇性地通過連接到發(fā)射器模塊37的特定導(dǎo)線來傳送電 流，使每個發(fā)射器組適當(dāng)數(shù)量的發(fā)射器發(fā)光。進一步的亮度控制能通過改變施加到發(fā)射器 的驅(qū)動電平或驅(qū)動發(fā)射器的時間的持續(xù)期而實現(xiàn)。 在亮度確定功能54與發(fā)射器驅(qū)動32位于不同位置時，驅(qū)動導(dǎo)體35的一個驅(qū)動導(dǎo) 線將發(fā)射器驅(qū)動32連接到發(fā)射器模塊37，并且亮度確定功能54控制的一根或多根控制導(dǎo) 線(未示出)也連接到發(fā)射器模塊37。發(fā)射器模塊37上包括的電路(未示出)能選擇性 地將一個或多個發(fā)射器連接到驅(qū)動導(dǎo)線，以響應(yīng)控制導(dǎo)線上的信號。備選地，在發(fā)射器驅(qū)動 32包括亮度確定功能54時，驅(qū)動導(dǎo)體35包括每發(fā)射器一根或多根驅(qū)動導(dǎo)線(未示出)。這 種情況下，亮度確定功能54選擇性地通過驅(qū)動導(dǎo)體35的特定驅(qū)動導(dǎo)線來傳送電流，使每發(fā) 射器組適當(dāng)數(shù)量的發(fā)射器發(fā)光。 在本發(fā)明的一個實施例中，至少一個校準光圖案被投射到被觀察的表面或物體 上。來自多個光發(fā)射器的至少一個光發(fā)射器的投射光可用于在表面或物體上形成至少一個 校準光圖案。校準光圖案可包括至少一個結(jié)構(gòu)光圖案，并且將來自多個發(fā)發(fā)射器的至少一 個光發(fā)射器的光通過強度調(diào)制元件38可在物體上形成至少一個校準光圖案。校準光圖案可包括但不限于有角度的線、單線、多線、一個點、多個點及多個平行光和暗線。能理解，條 紋集和校準光圖案可從同一發(fā)射器模塊37投射。例如，這可以通過將條紋集發(fā)射器和校準 圖案發(fā)射器間隔分開，并將來自它們的光通過強度調(diào)制元件38的分開區(qū)域來實現(xiàn)。
在本發(fā)明的另一個實施例中，第一投射集和第二投射集被投射在表面上。投射集 包括包含至少一個結(jié)構(gòu)光圖案的至少一個條紋集。當(dāng)投射集包括多個條紋集時，第一投射 集的一個條紋集的結(jié)構(gòu)光圖案展示相對于第一投射集的其它條紋集的結(jié)構(gòu)光圖案的相移。 類似地，第二投射集的一個條紋集的結(jié)構(gòu)光圖案展示相對于第二投射集的其它條紋集的結(jié) 構(gòu)光圖案的相移。 一般情況下，從觀察光學(xué)器件44的一側(cè)投射第一投射集，并且從觀察光 學(xué)器件44的另一側(cè)投射第二投射集。根據(jù)可分離末端42的配置，可備選地從觀察光學(xué)器 件44的頂部投射第一投射集，并且可從觀察光學(xué)器件44的底部投射第二投射集，或反之亦 然。即使插入管40旋轉(zhuǎn)，第一和第二投射集也從相對于F0V的相對位置或角度被投射。因 此，可從圍繞觀察光學(xué)器件44的任何位置或角度投射第一投射集，該位置或角度是第二投 射集的相對的位置或角度。 圖2的條紋集0、1和2包括示范投射集。在圖2的情況下，多個條紋集包括投射 集。在投射集包括多個條紋集時，一般從相對于FOV接近的同一原點(origin)投射包括投 射集的多個條紋集。 為了對此做進一步說明，圖3示出兩個條紋集的圖。每個條紋集從F0V的相對側(cè) 投射。從F0V的一側(cè)投射的實線表示的圖3中的條紋集包括第一投射集，而從FOV的另一 側(cè)投射的虛線表示的圖3中的條紋集包括第二投射集。關(guān)于圖3的示范情況，僅示出每投 射集一個條紋集；然而，多個條紋集可包括每個投射集。在本發(fā)明的一個實施例中，投射集 包括多個條紋集，每個條紋集包括結(jié)構(gòu)光圖案，其中，一個條紋集的光圖案展示相對于其它 條紋集的光圖案的相移。在投射第一投射集和第二投射集時，捕獲第一圖像集和第二圖像 集。第一圖像集包括第一投射集的條紋集圖像，并且第二圖像集包括第二圖像集的條紋集 圖像，其中，每圖像投射一個條紋集到表面或物體上。 在至少一個結(jié)構(gòu)光圖案被投射到表面上時，探頭在測量模式中操作。在本發(fā)明的 一個實施例中，允許發(fā)射器模塊37在測量模式期間在表面上投射至少一個結(jié)構(gòu)光圖案。在 測量模式期間，CPU 56或視頻處理器50捕獲多個測量模式圖像，其中，至少一個結(jié)構(gòu)光圖 案被投射在物體上。測量模式圖像可包括條紋集，其中，每測量模式圖像投射不多于一個條 紋集到物體上。該類的測量模式圖像在本文中也稱為條紋集圖像。隨后，可直接在多個條 紋集圖像上執(zhí)行相移分析。 啟用檢查光源23時，探頭在檢查模式中操作。光從檢查光源23投射到表面或物 體上。在檢查模式期間，該至少一個結(jié)構(gòu)光圖案可不存在。通常，在從檢查光源23將光投 射到被觀察的表面或物體上時，捕獲在本文中稱為檢查模式圖像的至少一個圖像。檢查光 源23從插入管40的遠端輸出相對均勻的光或散射照明光。在檢查模式期間產(chǎn)生和輸送光 的元件可總稱為檢查光輸送系統(tǒng)。在一個實施例中，檢查光輸送系統(tǒng)包括檢查光源23、源纖 維束24、快門機構(gòu)34、探頭纖維束25及通光元件43。在其它實施例中，檢查光輸送系統(tǒng)可 包括極不相同的元件，如在白色LED位于遠端的情況下，能被禁用或提供可調(diào)整的輸出電 流的LED驅(qū)動電路、用于輸送功率到LED的導(dǎo)線、LED本身及保護LED的保護元件。在另一 個實施例中，檢查光輸送系統(tǒng)包括耦合到將光輸送到插入管40的遠端的纖維束的近端LED和LED驅(qū)動電路。 再次討論測量模式，在測量模式期間自動降低或禁用從檢查模式光輸送系統(tǒng)輸出 的、源于光源23的光的強度，以避免降低至少一個投射的結(jié)構(gòu)光圖案的對比度。例如，CPU 56可配置成提供原命令，通過對于光源23的啟用/禁用輸入在投射至少一個結(jié)構(gòu)光圖案前 以電子方式關(guān)閉光源23。隨后，在捕獲多個測量模式圖像后或在退出測量模式時，例如以電 子方式自動啟用檢查光源23。 類似地，CPU 56也可配置成提供原命令，通過使用快門機構(gòu)34打開或關(guān)閉檢查輸 送系統(tǒng)的光?？扉T機構(gòu)34配置成允許在檢查模式或常規(guī)檢查期間從檢查光輸送系統(tǒng)的光 輸出，或者在測量模式期間阻止或以其它方式禁止源于檢查光源23的光輸出?？扉T機構(gòu)34 例如包括螺線管或電機驅(qū)動機械快門或電光源禁用器(disabler)。在快門機構(gòu)34允許來 自檢查光源23的光通過時，快門機構(gòu)34是在開啟位置。在快門機構(gòu)34阻止來自檢查光源 23的光時，快門機構(gòu)34是在閉合位置。在檢查模式期間，快門機構(gòu)34配置成在開啟位置。 相反，在條紋集投射期間，快門機構(gòu)34配置成在閉合位置?？扉T機構(gòu)34的位置能基于其實 現(xiàn)而改變。在本發(fā)明的一個實施例中，在快門機構(gòu)34允許光通過時，探頭纖維束25經(jīng)通光 元件43將光輸送到表面或檢查處。 檢查光源23—般是白光源，但可包括用于探頭的任何適當(dāng)光源，如汞或金屬鹵化 物弧光燈、卣鎢燈、激光/磷系統(tǒng)或基于LED的光源，這些光源能位于近端或遠端。在使用 基于纖維的光源時，在系統(tǒng)10中可包括源纖維束24。源纖維束24包括非相干或半相干光 纖束，并且將光傳送到快門機構(gòu)34。備選地，源纖維束24可省略，并且快門機構(gòu)34可直接 位于檢查光源23與探頭纖維束25之間。探頭纖維束25包括非相干光纖束。通光元件43 包括玻璃棒、成形纖維(formed fiber)和/或諸如透鏡或擴散器等分布控制特征。
在一些情況下，在捕獲的測量模式圖像中的投射的光圖案會令人分心，并且使操 作員更難以看到被觀察的物體上的細節(jié)。因此，需要讓操作員在放置測量光標時觀察普通 檢查模式圖像，而不是包括一個或多個結(jié)構(gòu)光圖案的測量模式圖像。優(yōu)選的是捕獲至少一 個對應(yīng)的檢查模式圖像和至少一個對應(yīng)的測量模式圖像。該至少一個對應(yīng)的測量模式圖像 包括多個測量模式圖像中的至少一個圖像，并且該至少一個對應(yīng)的檢查模式圖像包括在接 近該至少一個對應(yīng)的測量模式圖像的接近時間捕獲的至少一個檢查模式圖像。接近捕獲的 檢查模式圖像和測量模式圖像在本文中稱為對應(yīng)的圖像。理想的情況是對應(yīng)的圖像包括相 對于F0V在同一位置的物體的圖像。 在接近的時間捕獲對應(yīng)的圖像是有利的，至少是因為在對應(yīng)圖像的捕獲之間探頭 的末端與觀察物體之間的相對移動最小。諸如缺損和邊緣等幾何特征將在對應(yīng)圖像中同一 位置顯示，以便在檢查模式圖像上放置的光標的位置對應(yīng)于測量模式圖像中被觀察的物體 上的相同點。在本發(fā)明的一個實施例中，運動檢測模塊53分析檢查模式和測量模式對應(yīng)的 圖像。 運動檢測模塊53可配置成一旦所有圖像已捕獲后便分析圖像。備選地，運動檢測 模塊53可配置成在每個圖像捕獲后相繼分析圖像。運動檢測模塊53配置成自動檢測測量 模式圖像(在本文中也稱為條紋集圖像或包括結(jié)構(gòu)光圖案的捕獲的圖像)之間探頭和/或 表面移動。運動檢測模塊53可配置成只比較檢查模式圖像或只比較測量模式圖像。此外， 運動檢測模塊53可選擇配置成比較至少一個測量模式圖像和其對應(yīng)的檢查模式圖像。在本發(fā)明的一個實施例中，對應(yīng)的檢查模式圖像可在其對應(yīng)的測量模式捕獲序列的開始和/ 或結(jié)束時捕獲。 運動檢測模塊53能進一步配置成比較來自兩個或更多個連續(xù)測量模式捕獲序列 的每個的一個或多個捕獲的圖像，使得存在相同照明和/或結(jié)構(gòu)光圖案的圖像可得到比 較，而不是嘗試補償圖案位置或照明方面的差異。在本文中使用的術(shù)語"測量模式捕獲序 列"被定義為多個結(jié)構(gòu)光圖像的捕獲，每個捕獲的圖像包括一個投射條紋集。在測量模式捕 獲序列期間，捕獲多個測量模式圖像。 探頭系統(tǒng)10配置成檢測在多個圖像的兩個或更多個圖像的捕獲之間探頭與表面 或物體之間的相對移動。在本發(fā)明的一個實施例中，運動檢測模塊53配置成分析捕獲的圖 像，并計算指示在多個圖像的兩個或更多個圖像的捕獲之間探頭的末端與表面或物體之間 相對移動的運動度量。這些圖像可包括多個圖像的第一圖像和最后圖像。多個圖像的第一 圖像是檢查模式圖像或測量模式圖像。類似地，多個圖像的最后圖像是檢查模式圖像或測 量模式圖像。如果運動度量指示高移動概率，則多個圖像的捕獲重復(fù)進行，直至運動度量指 示低移動概率或預(yù)定的超時發(fā)生。例如，如果運動度量指示在對應(yīng)的測量模式與檢查模式 圖像之間的高移動概率，則測量模式和檢查模式圖像的捕獲重復(fù)進行，直至運動度量指示 低移動概率或預(yù)定的超時發(fā)生。然而，全部多個圖像的重新捕獲可能不是始終必需的。
運動度量的值能取決于運動檢測的實現(xiàn)。度量能夠是移動的像素，這種情況下，度 量可限于一個像素移動，例如，用于指示低移動概率。在該情況下，表示大于一個像素的移 動的任何度量將指示高移動概率。對于低移動概率的度量限制也能夠通過實驗確定。除其 它之外，通過實驗確定度量限制的一種方法包括使用亮度值之間的均方根(RMS)差。
圖4是示出在運動檢測中涉及的步驟的示范實施例的流程圖。圖1中所示的管道 鏡/內(nèi)窺鏡或探頭系統(tǒng)配置成執(zhí)行方法400中所示的步驟。探頭系統(tǒng)10在檢查模式中時， 并且CPU 56接收請求測量的命令時，可實現(xiàn)方法400。操作員可通過按探頭系統(tǒng)10上的按 鈕(未示出)或者從集成顯示器21選擇菜單項來請求測量。 —旦收到測量命令，在步驟402， CPU 56或視頻處理器50便捕獲第一檢查模式圖 像。CPU 56隨后將命令發(fā)送到微控制器30以進入測量模式。微控制器30控制發(fā)射器驅(qū) 動32以執(zhí)行測量模式捕獲序列。在步驟404，CPU 56或視頻處理器50捕獲測量模式圖像。 每個結(jié)構(gòu)光圖案或條紋集至少捕獲一個測量模式圖像。操作員可通過從集成顯示器21選 擇菜單項，在方法400的實現(xiàn)前預(yù)編程測量模式捕獲序列的細節(jié)。例如，操作員可能想每結(jié) 構(gòu)光圖案或條紋集捕獲多個測量模式圖像。另外，根據(jù)所需的分析和/或映射，可在相同的 亮度級或不同的亮度級捕獲相同結(jié)構(gòu)光圖案或條紋集的那些圖像。 在捕獲測量模式圖像后，微控制器30禁用發(fā)射器驅(qū)動32，并且微控制器30配置 DSP 51用于檢查模式。在步驟406后，CPU 56或視頻處理器50捕獲第二檢查模式圖像。 在步驟408，運動檢測模塊53隨后分析第一和第二檢查模式圖像以確定運動度量。如果運 動度量指示運動程度不可接受，并且預(yù)設(shè)的時間限制未達到，則步驟402-412重復(fù)進行，直 至運動度量指示運動程度可接受或預(yù)設(shè)的時間限制達到?；蛘?，如果在步驟410運動度量 指示運動程度不可接受，并且在步驟412預(yù)設(shè)的時間限制達到，則過程在步驟99結(jié)束。如 果運動度量指示運動程度可接受，則過程在步驟99結(jié)束。在本發(fā)明的另一個實施例中，運動檢測模塊53配置成基于例如高頻細節(jié)位置比
10較的技術(shù)來分析捕獲的圖像。在序列中的第一圖像中能夠識別包括亮度快速轉(zhuǎn)變的圖像中 的點，并且在一個或多個隨后的圖像中能檢驗?zāi)切c以確定快速轉(zhuǎn)變是否仍在相同的點發(fā) 生。此方案能適應(yīng)如在測量模式與檢查模式圖像之間將存在的照明的差異。例如在對應(yīng)的 測量模式圖像之前和之后捕獲的檢查模式圖像的在相同光照條件下捕獲的圖像能被簡單 地從彼此減去，以確定圖像是否已發(fā)生相當(dāng)大的變化。 圖5是示出在運動檢測中涉及的步驟的示范備選實施例的流程圖。圖1中所示的 管道鏡/內(nèi)窺鏡或探頭系統(tǒng)配置成執(zhí)行方法500中所示的步驟。探頭系統(tǒng)10在檢查模式 中時，并且CPU 56接收請求測量的命令時，可實現(xiàn)方法500。操作員可通過按探頭10上的 按鈕(未示出)或者從集成顯示器21選擇菜單項來請求測量。 —旦收到測量命令，在步驟502，CPU 56或視頻處理器50便捕獲檢查模式圖像。在 步驟504， CPU 56或視頻處理器50識別在步驟502捕獲的檢查模式圖像中明顯的亮度轉(zhuǎn)變 點。CPU 56隨后將命令發(fā)送到微控制器30以進入測量模式。在本發(fā)明的一個實施例中，微 控制器30控制發(fā)射器驅(qū)動32來使一個發(fā)射器組發(fā)光以投射第一條紋集。在步驟506，CPU 56或視頻處理器50捕獲第一條紋集圖像。為第一條紋集捕獲至少一個測量模式圖像。在 步驟508， CPU 56或視頻處理器50識別在步驟506捕獲的第一條紋集圖像的至少一個中的 明顯亮度轉(zhuǎn)變點。 運動檢測模塊53隨后在步驟510比較檢查模式圖像的識別的明顯亮度轉(zhuǎn)變點和 條紋集圖像的那些轉(zhuǎn)變點。在步驟512，運動檢測模塊53基于該比較確定運動度量。如果 在步驟514運動度量指示運動程度不可接受，并且在步驟516時間限制達到，則過程在步驟 99結(jié)束。 如果運動度量指示運動程度不可接受，并且預(yù)設(shè)的時間限制未達到，則步驟 502-516重復(fù)進行，直至運動度量指示運動程度可接受或預(yù)設(shè)的時間限制達到。優(yōu)選的是序 列從步驟502重復(fù)進行以更新檢查模式圖像，這是因為測量模式圖像將不太可能再次與原 檢查圖像對齊。備選地，序列可從步驟506重復(fù)進行以將捕獲的條紋集圖像或包括相同結(jié) 構(gòu)光圖案的兩個或更多個測量模式圖像相互比較，直至它們?nèi)肯嗯?，并隨后在結(jié)束時捕 獲另一檢查模式圖像。 然而，如果運動度量指示運動程度可接受，則步驟506-514為第二條紋集、然后為 第三條紋集等重復(fù)進行。 一旦為最后的條紋集捕獲所有條紋集圖像并且運動度量指示對 于最后的條紋集中的條紋集圖像的運動程度可接受，則在為該最后的條紋集順序通過步驟 506-514之后，過程結(jié)束。 回到圖1，上述成像器接口電子器件31、發(fā)射器驅(qū)動32和快門機構(gòu)34包括在探頭 電子器件48中。探頭電子器件48可與主控單元或CPU 56在物理上分離以提供對探頭相 關(guān)操作的更多本地控制。探頭電子器件48還包括校準存儲器33。校準存儲器33存儲可與 延長部分46和/或分離末端42的光學(xué)系統(tǒng)有關(guān)的信息，如放大數(shù)據(jù)、光學(xué)失真數(shù)據(jù)和圖案 投射幾何數(shù)據(jù)。 校準存儲器33存儲與從光源23投射的光與從發(fā)射器模塊37投射的光之間的強 度關(guān)系有關(guān)的信息。光源23與發(fā)射器模塊37投射的光之間的強度關(guān)系能在任何圖像捕獲 前預(yù)定。 一般情況下，光源23的亮度或強度大于發(fā)射器模塊37的亮度或強度。因此，在檢 查模式圖像捕獲期間應(yīng)用到成像器12輸出的視頻信號的成像器12曝光時間和/或模擬增益將與在測量模式圖像捕獲期間應(yīng)用的那些不同。 控制快門34的微控制器30與CPU 56通信，并控制發(fā)射器驅(qū)動32電路，并且還與 成像器接口電子器件31通信以確定和設(shè)定增益和曝光設(shè)置，并且從校準存儲器33讀取和 存儲校準數(shù)據(jù)。 探頭系統(tǒng)IO還包括應(yīng)用到源于成像器12的圖像數(shù)據(jù)的增益函數(shù)、曝光函數(shù)、伽馬 校正函數(shù)和邊緣增強函數(shù)的一個或多個函數(shù)。探頭系統(tǒng)10配置成在檢查模式與測量模式 之間切換時自動調(diào)整所述函數(shù)至少之一的參數(shù)。 在本發(fā)明的一個實施例中，檢查光輸送系統(tǒng)輸出的光和結(jié)構(gòu)光圖案的相對強度在 校準步驟期間被確定并存儲在校準存儲器33中。在成像器接口電子器件31中包括的DSP 51可配置成自動調(diào)整成像器12曝光和前端模擬增益以實現(xiàn)用于檢查模式圖像捕獲的最佳 圖像亮度。 微控制器30配置成使用檢查模式期間有效的曝光函數(shù)和增益函數(shù)值，從DSP 51 來計算曝光函數(shù)和增益函數(shù)設(shè)置的參數(shù)，以便在測量模式期間使用。微控制器30還配置成 根據(jù)結(jié)構(gòu)光圖案的光與來自檢查光源23的光之間預(yù)定的強度關(guān)系，計算曝光和增益函數(shù) 的參數(shù)，并設(shè)置DSP 51應(yīng)用調(diào)整的曝光和增益設(shè)置以優(yōu)化測量模式圖像捕獲的圖像亮度。 例如，調(diào)整曝光和增益函數(shù)的參數(shù)，使得多個條紋集圖像中的亮度類似于檢查模式圖像中 的亮度。如果DSP 51保留在自動曝光和增益調(diào)整模式中，則此方案消除了DSP 51在切換 后達到適當(dāng)圖像亮度將需要的時間，這對于將圖像捕獲之間的運動的可能性降到最低是合 乎需要的。在捕獲測量模式圖像后，DSP 51可再次配置用于自動增益和曝光調(diào)整以優(yōu)化用 于檢查模式圖像捕獲的圖像亮度。 圖6是示出在本發(fā)明的圖像捕獲序列期間涉及的步驟的示范實施例的流程圖。在 本文中使用的術(shù)語"圖像捕獲序列"被定義為對應(yīng)的檢查模式和測量模式圖像的捕獲。不 要混淆術(shù)語"圖像捕獲序列"和上面定義的術(shù)語"測量模式捕獲序列"。
圖1中所示的管道鏡/內(nèi)窺鏡或探頭系統(tǒng)10配置成執(zhí)行方法600中所示的步驟。 當(dāng)探頭系統(tǒng)10在檢查模式中、并且CPU 56接收請求測量的命令時，可實現(xiàn)方法600。操作 員可通過按探頭10上的按鈕(未示出)或者從集成顯示器21選擇菜單項來請求測量。
—旦收到測量命令，在步驟602， CPU 56或視頻處理器50便捕獲檢查模式圖像。 在步驟604， CPU 56將命令發(fā)送到微控制器30以進入測量模式。在步驟606，微控制器30 從DSP 51讀取模擬增益和曝光，并且在步驟608，微控制器30調(diào)整用于測量模式的增益和 曝光。如上所述，測量模式DSP 51設(shè)置可根據(jù)在檢查光輸送系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)光圖案之間的預(yù)定 強度關(guān)系進行調(diào)整。接著在步驟608，微控制器30基于調(diào)整的值將DSP 51設(shè)定為固定增益 和曝光。在步驟610，如上所述，由微控制器30或CPU 56禁用檢查光。
在步驟612，微控制器30控制發(fā)射器驅(qū)動32以執(zhí)行測量模式捕獲序列。在本發(fā)明 的一個實施例中，執(zhí)行測量模式捕獲序列包括在可能對時間或驅(qū)動電平進行調(diào)整以補償不 同發(fā)射器亮度級的同時，在幀邊界上順序通過發(fā)射器組、不同的光發(fā)射器的子集。此外，可 調(diào)整供應(yīng)到一個子集光發(fā)射器的驅(qū)動電平以補償光發(fā)射器的該子集與光發(fā)射器的另一子 集之間的溫差。不同的發(fā)射器亮度級可能是在序列進展時由于不同的發(fā)射器效率或發(fā)射器 的加熱而造成的。例如，如果發(fā)射器是LED，則效率一般在溫度上升時降低。在第一LED打 開時，發(fā)射器模塊37的溫度比當(dāng)最后LED打開時更低。因此，最后LED需要更多驅(qū)動電流以實現(xiàn)與第一LED相同的輸出。驅(qū)動電平的差異可通過校準步驟來預(yù)定。LED正向壓降一 般還隨溫度上升而上升。因此，結(jié)合發(fā)射器驅(qū)動32，微控制器30可測量LED正向壓降以確 定LED溫度，從而更準確地補償效率變化。 在步驟614， CPU 56或視頻處理器50捕獲測量模式圖像。每條紋集捕獲至少一個 測量模式圖像。另外，每條紋集可捕獲多個測量模式圖像，使得在同一亮度級捕獲每個條紋 集的測量模式圖像；此外，每條紋集可捕獲多個測量模式圖像，使得在不同亮度級捕獲至少 一個條紋集的多個條紋集圖像。 在步驟616，運動檢測模塊53分析圖像的運動。如果在步驟618檢測到運動，并 且在步驟620達到預(yù)設(shè)的時間限制，則過程在步驟99結(jié)束。如果檢測到運動，并且未達到 預(yù)設(shè)的時間限制，則重復(fù)進行步驟612-620，直至未檢測到運動或達到預(yù)設(shè)的時間限制?；?者，如果在步驟618未檢測到運動，則CPU 56將命令發(fā)送到微控制器30以進入檢查模式。 在步驟624，微控制器30禁用發(fā)射器驅(qū)動32。在步驟626，微控制器30通過設(shè)定DSP 51進 行自動增益和曝光調(diào)整，配置DSP 51用于檢查模式。在步驟628，CPU 56或微控制器30啟 用檢查光輸出。在步驟628后，CPU 56或視頻處理器50可再次捕獲檢查模式圖像，如在步 驟402中一樣。這標志著圖像捕獲序列的結(jié)束。方法600可自動重復(fù)進行，以順序通過這 些步驟預(yù)定的次數(shù)。備選地，操作員可通過在每次需要新的圖像捕獲序列時請求測量，手動 命令方法600重復(fù)進行。 回到圖6的步驟618，如果在步驟618未檢測到運動，則探頭系統(tǒng)10不必直接進 入檢查模式。在本發(fā)明的另一個實施例中，如果在步驟618未檢測到運動，則用戶可選擇在 步驟622進入檢查模式或者進入測量屏幕(未顯示)。測量屏幕顯示優(yōu)選地從步驟602捕 獲的對應(yīng)的檢查模式圖像，同時在優(yōu)選地從步驟614捕獲的至少一個對應(yīng)的測量模式圖像 上執(zhí)行分析或測量。測量屏幕允許在對應(yīng)的檢查模式圖像上放置測量光標，而實際的分析 或測量在表示至少一個對應(yīng)的測量模式圖像的數(shù)據(jù)上執(zhí)行。在進入測量屏幕時，可選擇禁 用發(fā)射器驅(qū)動，以免投射結(jié)構(gòu)光圖案。用戶可在步驟622觀察測量屏幕以進行挑選的同時 選擇在所需的任何點進入檢查模式。如果以前禁止發(fā)射器驅(qū)動進入測量屏幕，則跳過步驟 624。序列在步驟626恢復(fù)，在該步驟中，微控制器30通過設(shè)定DSP 51用于自動增益和曝 光調(diào)整，配置DSP 51用于檢查模式。 探頭系統(tǒng)10配置成當(dāng)在檢查模式與測量模式之間切換時通過DSP 51更改成像器 12模擬增益和曝光函數(shù)的參數(shù)。探頭系統(tǒng)IO還配置成當(dāng)在檢查模式與測量模式之間切換 時自動調(diào)整DSP 51的其它處理參數(shù)，包括但不限于伽馬校正和邊緣增強。
關(guān)于伽馬校正，一般情況下，成像器12以線性方式響應(yīng)光。強度或照度值的非線 性重新映射通常由DSP 51執(zhí)行以便為圖像顯示改進感知的亮度一致性。在檢查模式期間 捕獲的圖像的強度值的非線性重新映射可能是合乎需要的。然而，優(yōu)選的是在表示對光的 線性響應(yīng)的圖像上執(zhí)行相移分析。因此，對光的線性響應(yīng)必須在測量模式期間從成像器12 轉(zhuǎn)入到視頻處理器50，這是因為相移分析一般在測量模式期間捕獲的結(jié)構(gòu)光圖像上執(zhí)行。 探頭系統(tǒng)10配置成相對于在檢查模式期間應(yīng)用的伽馬校正的程度，降低應(yīng)用到至少一個 測量模式圖像的像素的伽馬校正的有效程度。例如，在測量模式期間啟用或開啟線性伽馬 DSP設(shè)置。然而，在檢查模式期間，線性伽馬DSP設(shè)置一般被禁用或設(shè)為非線性以改進感知 的檢查模式圖像質(zhì)量。
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關(guān)于邊緣增強，啟用邊緣增強將人為地修改圖像的亮度線性。這對于在其上執(zhí)行 相移分析的圖像，一般是不合需要的，因為優(yōu)選的是表示對光的線性響應(yīng)的圖像。因此，為 測量模式圖像捕獲禁用或關(guān)閉邊緣增強功能，并且可為檢查模式觀察和檢查模式圖像捕獲
啟用或打開邊緣增強功能。探頭系統(tǒng)io配置成相對于在檢查模式期間應(yīng)用的邊緣增強的
程度，降低應(yīng)用到至少一個測量模式圖像的像素的邊緣增強的有效程度。 還與圖像捕獲有關(guān)的是，優(yōu)選地在有少量或無隨機噪聲的圖像上執(zhí)行相移分析以
改進測量精確性。為降低隨機噪聲，探頭系統(tǒng)io可配置成捕獲存在相同結(jié)構(gòu)光圖像或相
同條紋集的多個測量模式圖像，并且對那些測量模式圖像的兩個或更多圖像進行平均或求 和。結(jié)果是多個合成圖像，其中，在每個合成圖像中只存在一個條紋集。存在有相同結(jié)構(gòu)光 圖案或相同條紋集的這些多個測量模式圖像可在相同或類似的亮度級捕獲。在投射條紋集 的合成圖像是求和而不是平均的結(jié)果時，增大了動態(tài)范圍，并且降低了噪聲。無論合成圖像 是求和還是平均的結(jié)果，在合成圖像上能執(zhí)行相移分析和其它處理。 此外，包括相同結(jié)構(gòu)光圖案或相同投射條紋集的測量模式圖像可在不同的亮度或 強度級捕獲。這通過手動或自動更改發(fā)射器輸出強度或持續(xù)時間、成像器12曝光、模擬增 益或其一些組合而實現(xiàn)。 如上所述，條紋對比度確定功能54配置成確定應(yīng)為每個發(fā)射器組啟用一個發(fā)射 器還是多個發(fā)射器。例如，為更改光源強度，條紋對比度確定功能54可還配置成在每發(fā)射 器組啟用一個發(fā)射器與多個發(fā)射器來投射光之間定序。也如上所述，微控制器30與成像器 接口電子器件31通信以確定和設(shè)定增益和曝光設(shè)置。類似地，微控制器30可配置發(fā)射器 驅(qū)動32以改變輸送到發(fā)射器模塊37的功率量，并因此改變投射條紋集的強度。
在不同亮度或強度級捕獲的、包括相同投射條紋集的多個測量模式圖像可組合以 有效地增加系統(tǒng)的動態(tài)范圍。例如，可捕獲包括結(jié)構(gòu)光圖案的明亮金屬表面的圖像。明亮 金屬表面的反射性質(zhì)會阻止暗區(qū)中的足夠強度級別。因此，可在不同強度級捕獲每個條紋 集的多個圖像，以便在至少一些圖像中暗區(qū)得到適當(dāng)照亮。隨后，可組合每個條紋集的捕獲 的圖像，從而為每個條紋集產(chǎn)生單個圖像，該圖像具有跨越比利用每條紋集單個圖像能實 現(xiàn)的更大的部分的充分強度級。 CPU 56或視頻處理器50可配置成在捕獲測量模式圖像前分析檢查模式圖像以確 定亮度一致性。通過生成并評估像素照度值的直方圖，可執(zhí)行該分析。在中間亮度范圍具 有大多數(shù)像素的直方圖將指示測量模式圖像的單個集合將可能是足夠的。具有大部分極亮 像素和極暗像素的直方圖可指示高反射性表面，其將受益于在不同亮度級捕獲的多個測量 模式圖像序列的合并。 在本發(fā)明的一個實施例中，通過評估包括相同的投射結(jié)構(gòu)光圖案或條紋集并且在 不同強度級捕獲的多個測量模式圖像中的每個像素強度，并選擇最符合諸如最大調(diào)制、亮 度值或像素不飽和等標準的集合的像素的集合，組合這些多個圖像。來自包括相同結(jié)構(gòu)光 圖案或條紋集的不止一個測量模式圖像的像素值可用于確定物體或表面的至少一個幾何 尺寸。 上面的討論主要涉及探頭系統(tǒng)10的圖像捕獲。下面的討論主要涉及那些捕獲的 圖像的使用和存儲。 在本發(fā)明的一個實施例中，向操作員隱藏了在測量模式期間捕獲的包括結(jié)構(gòu)光圖案的圖像，并且這些圖像只用于實際分析和測量。例如，CPU 56或視頻處理器50創(chuàng)建包括 表示對應(yīng)的檢查模式圖像的數(shù)據(jù)的圖像文件，并且在包括表示其至少一個對應(yīng)的測量模式 圖像的數(shù)據(jù)的圖像文件內(nèi)創(chuàng)建隱藏的記錄。在操作員定位用于確定被觀察的物體的幾何測 量的覆蓋光標時，對應(yīng)的檢查模式圖像能被顯示，而分析在對應(yīng)的測量模式圖像上執(zhí)行以 確定幾何測量結(jié)果。因此，在觀察檢查模式圖像時，即使在其對應(yīng)的一個或多個測量模式圖 像上執(zhí)行分析或測量，操作員也可命令分析或測量。這也能在圖像存儲前進行，例如，如上 關(guān)于圖6所討論的，其中顯示了檢查模式圖像并處理了測量圖像。 通過允許用戶在普通的檢查模式圖像上放置光標而不必擔(dān)心立體匹配、垂直性、 陰影位置等，降低了操作員技能要求。操作員可使用操縱桿62將光標放置在集成顯示器21 上顯示的檢查模式圖像上。小鍵盤64和/或計算機I/O接口 66也可與操縱桿62交換，用 于放置光標，并且計算機監(jiān)視器22和/或視頻監(jiān)視器20也可與集成顯示器21交換，用于 顯示檢查模式圖像。 —般情況下，當(dāng)在圖像上執(zhí)行測量，并且保存圖像時，諸如光標位置、測量結(jié)果、精 確性指示符等圖形覆蓋數(shù)據(jù)被添加到圖像。此圖形覆蓋必須可去除以實現(xiàn)以后的容易的重 新測量，其中要求與圖像相關(guān)的非圖形數(shù)據(jù)。用于從探頭存儲圖像特定的數(shù)據(jù)、特別是校準 數(shù)據(jù)的方法從美國專利7262797已知。還需要的是存儲例如與相移分析有關(guān)的測量數(shù)據(jù)。 測量數(shù)據(jù)包括但不限于結(jié)構(gòu)光圖像的照度部分(照度數(shù)據(jù))、測量光標位置、合并的圖像數(shù) 據(jù)、測量類型、結(jié)果、精確性指示等、校準數(shù)據(jù)、相位數(shù)據(jù)及相移分析數(shù)據(jù)。相位數(shù)據(jù)可包括 表示結(jié)構(gòu)光圖案的相位的數(shù)據(jù)，例如，包裹相位、展開后的相位、相對相位和/或絕對相位。 2008年5月5日提交的名稱為"Phase-ShiftAnalysis System and Method"的共同未決的 美國申請12/042800論述了相移分析中相位數(shù)據(jù)的實現(xiàn)，該申請通過引用結(jié)合于本文中。 相移分析數(shù)據(jù)包括但不限于表面或物體距離數(shù)據(jù)(對于每個像素的z值，其中，z是與探頭 的物體距離)和點云數(shù)據(jù)(對于每個像素的x、y、z值)。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解的， 美國專利7262797中公開的方法應(yīng)該包括"將測量數(shù)據(jù)寫入文件"的另外步驟。
具體而言，系統(tǒng)可包括幾何測量模式，其中，對應(yīng)的檢查模式圖像被顯示，并且操 作員在檢查模式圖像上定位測量光標以標識測量點，并且CPU 56基于通過在對應(yīng)的測量 圖像上利用校準數(shù)據(jù)執(zhí)行的相移分析得到的3D數(shù)據(jù)，計算和顯示測量結(jié)果。當(dāng)操作員請求 圖像保存時，CPU 56創(chuàng)建圖像文件。它將覆蓋數(shù)據(jù)與檢查圖像數(shù)據(jù)合并，并在圖像文件中 保存結(jié)果，使得在文件通過標準圖像觀察器打開時，檢查模式圖像和覆蓋被顯示。CPU 56還 在圖像文件中創(chuàng)建隱藏的記錄。在這些隱藏的記錄中，它存儲由覆蓋數(shù)據(jù)改寫的檢查圖像 數(shù)據(jù)(稱為覆蓋替代數(shù)據(jù))和測量數(shù)據(jù)。因此，定制軟件應(yīng)用能完全恢復(fù)原檢查模式圖像， 并具有復(fù)制現(xiàn)有測量和/或執(zhí)行另外的測量或分析所需的所有信息。 使用探頭系統(tǒng)10或附帶的個人計算機應(yīng)用捕獲的位圖和JPEG圖像中的測量數(shù)據(jù) 由CPU 56或視頻處理器50保存。這允許圖像具有"破壞性"覆蓋，使用標準圖像觀察軟件 可在圖像中見到這些覆蓋，但其可由定制應(yīng)用去除以向觀察者或操作員顯示干凈的圖像。 干凈的圖像能夠是測量模式圖像或其對應(yīng)的檢查模式圖像。在圖像中存儲照度和測量數(shù)據(jù) 還允許使用探頭軟件或通過諸如基于PC的軟件包等定制軟件在圖像上重復(fù)進行測量。
—旦圖像被捕獲并可選地由探頭系統(tǒng)10存儲后，圖像數(shù)據(jù)便能以許多方式使用。 例如，來自測量模式圖像的像素值能用于確定表面或物體的至少一個幾何尺寸。另外，圖像
15數(shù)據(jù)能用于執(zhí)行3D幾何測量或3D可視化。圖像數(shù)據(jù)還能導(dǎo)出或轉(zhuǎn)換為可結(jié)合3D建模軟 件使用的數(shù)據(jù)格式，以用于詳細的分析或逆向工程。 如本文中所述和附圖中所示的，與圖像捕獲有關(guān)的方法和系統(tǒng)的構(gòu)造和布置只是 說明性的，并且不限于探頭。雖然在此公開中只詳細描述了本發(fā)明的幾個實施例，但閱讀此 公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易理解，在實質(zhì)上不脫離所附權(quán)利要求中記載的主題的優(yōu)點和 新穎教導(dǎo)的情況下，許多修改是可能的(例如，各種元件的大小、尺寸、結(jié)構(gòu)、形狀和比例、 參數(shù)的值、安裝布置、材料的使用、定向等方面的變化)。相應(yīng)地，所有此類修改旨在包括在 如所附權(quán)利要求中定義的本發(fā)明的范圍內(nèi)。任何過程或方法步驟的次序或順序可根據(jù)備選 實施例進行改變或重新定序。在權(quán)利要求中，任何部件加功能款項旨在覆蓋在本文中描述 為執(zhí)行所記載功能的結(jié)構(gòu)，并且不僅包括結(jié)構(gòu)等效物，而且還包括等效結(jié)構(gòu)。在不脫離如 所附權(quán)利要求中表達的本發(fā)明的實施例的精神的情況下，可在優(yōu)選和其它示范實施例的設(shè) 計、操作條件和布置方面進行其它替代、修改、更改和省略。因此，本發(fā)明的技術(shù)范圍不但涵 蓋上述那些實施例，而且涵蓋屬于所附權(quán)利要求的范圍的那些實施例。
權(quán)利要求
一種探頭系統(tǒng)，包括成像器和檢查光源，所述探頭系統(tǒng)配置成在檢查模式和測量模式中操作，其中所述檢查光源在檢查模式期間被啟用，并且在測量模式期間被禁用，以及其中在測量模式期間投射結(jié)構(gòu)光圖案；捕獲至少一個測量模式圖像，其中所述結(jié)構(gòu)光圖案被投射到物體上；以及利用來自所述至少一個測量模式圖像的像素值以確定所述物體的至少一個幾何尺寸。
2. 如權(quán)利要求1所述的探頭系統(tǒng)，還配置成創(chuàng)建包括可視圖像的單個圖像文件，其中至少一個測量光標已被破壞性地覆蓋；以及創(chuàng)建至少一個隱藏的記錄，其中所述可視圖像和至少一個測量光標可使用圖像觀察器軟件來觀察，所述至少一個隱藏的記錄至少包括覆蓋替代數(shù)據(jù)、測量光標位置、校準數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)光圖像數(shù)據(jù)、相位數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)及物體距離數(shù)據(jù)之一，使得定制程序能在所述可視圖像上執(zhí)行幾何測量。
3. 如權(quán)利要求1所述的探頭系統(tǒng)，還配置成捕獲對應(yīng)的檢查模式圖像和至少一個對應(yīng)的測量模式圖像；其中所述至少一個對應(yīng)的測量模式圖像至少包括所述至少一個測量模式圖像之一；以及其中所述對應(yīng)的檢查圖像包括在接近所述至少一個對應(yīng)的測量模式圖像的接近時間捕獲的至少一個檢查模式圖像，所述至少一個檢查模式圖像包括投射到所述物體上的來自所述檢測光源的光。
4. 如權(quán)利要求1所述的探頭系統(tǒng)，還包括應(yīng)用到源于所述成像器的圖像數(shù)據(jù)的增益函數(shù)、曝光函數(shù)、伽馬校正函數(shù)及邊緣增強函數(shù)中的一個或多個函數(shù)；其中所述探頭系統(tǒng)配置成在檢查模式與測量模式之間切換時自動調(diào)整所述函數(shù)中至少一個函數(shù)的參數(shù)。
5. 如權(quán)利要求1所述的探頭系統(tǒng)，其中所述至少一個測量模式圖像包括包含相同結(jié)構(gòu)光圖案的多個測量模式圖像；以及其中來自包含所述相同結(jié)構(gòu)光圖案的所述多個測量模式圖像的不止一個圖像的像素值用于確定所述物體的所述至少一個幾何尺寸。
6. —種包括成像器的探頭系統(tǒng)，所述探頭系統(tǒng)配置成在檢查模式和測量模式中操作，其中在檢查模式期間投射散射照明光，以及其中在測量模式期間投射結(jié)構(gòu)光圖案；捕獲至少一個測量模式圖像，其中所述結(jié)構(gòu)光圖案被投射到物體上；利用來自所述至少一個測量模式圖像的像素值以確定所述物體的至少一個幾何尺寸；以及檢測多個圖像的兩個或更多圖像的捕獲之間的探頭與所述物體之間的相對移動。
7. 如權(quán)利要求6所述的探頭系統(tǒng)，還包括計算指示所述多個圖像的所述兩個或更多圖像的所述捕獲之間的所述探頭與所述物體之間的所述相對移動的運動度量。
8. 如權(quán)利要求6所述的探頭系統(tǒng)，其中所述多個圖像的所述兩個或更多圖像包括在所述至少一個測量模式圖像的捕獲之前捕獲的至少一個檢查模式圖像和在所述至少一個測量模式圖像的捕獲之后捕獲的至少一個檢查模式圖像，所述至少一個檢查模式圖像包括投射到所述物體上的散射照明光。
9. 如權(quán)利要求6所述的探頭系統(tǒng)，還配置成 捕獲對應(yīng)的檢查模式圖像和至少一個對應(yīng)的測量模式圖像；其中所述至少一個對應(yīng)的測量模式圖像至少包括所述至少一個測量模式圖像之一；以及其中所述對應(yīng)的檢查圖像包括在接近所述至少一個對應(yīng)的測量模式圖像的接近時間 捕獲的至少一個檢查模式圖像，所述至少一個檢查模式圖像包括投射到所述物體上的散射 照明光。
10. 如權(quán)利要求6所述的探頭系統(tǒng)，其中所述至少一個測量模式圖像包括包含相同結(jié) 構(gòu)光圖案的多個測量模式圖像；以及其中來自包含所述相同結(jié)構(gòu)光圖案的所述多個測量模式圖像的不止一個圖像的像素 值用于確定所述物體的所述至少一個幾何尺寸。
全文摘要
本發(fā)明名稱為“關(guān)于利用結(jié)構(gòu)光的探頭系統(tǒng)的系統(tǒng)方面”。一種探頭系統(tǒng)包括成像器和檢查光源。探頭系統(tǒng)配置成在檢查模式和測量模式中操作。在檢查模式期間，啟用檢查光源。在測量模式期間，禁用檢查光源，并投射結(jié)構(gòu)光圖案。探頭系統(tǒng)還配置成捕獲至少一個測量模式圖像。在所述至少一個測量模式圖像中，結(jié)構(gòu)光圖案被投射到物體上。探頭系統(tǒng)配置成利用來自所述至少一個測量模式圖像的像素值以確定所述物體的至少一個幾何尺寸。還提供配置成檢測多個圖像的兩個或更多圖像的捕獲之間探頭與所述物體之間的相對移動的探頭系統(tǒng)。
文檔編號G02B23/24GK101726263SQ20091020653
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月10日
發(fā)明者C·A·本達爾, K·G·哈丁, T·卡彭, 宋桂菊, 陶立 申請人:通用電氣公司