CN100397036C - 测量系统中的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及借助于测量系统用于表示物体(3)特征的方法和装置，其中测量系统或物体(3)之一设计为在预定的运动方向相对运动，物体(3)最好设计为相对测量系统运动。至少一个光源(2)设计为以入射到物体(3)上的光照明物体(3)并在运动方向具有有限的散射。配置在物体(3)与光源(2)同一侧的成象传感器(1)被设计为拾取从物体(3)反射的光并将反射光转换为电荷。此外，一图象处理单元被设计为从所述电荷生成物体(3)的数字表示(5)。光源(2)放置在从运动方向看距成象传感器(1)预定距离的地方，以及图象处理单元被设计为同时读出关于物体几何轮廓的信息以及关于围绕所述轮廓预定区域中光散射的信息。

Description

测量系统中的方法和装置
技术领域
本发明一般涉及用于对物体特征成象的方法和装置，并特别涉及借助于测量系统用于对物体特征成象的方法和装置，其中测量系统和/或物体在预定的运动方向彼此相对运动，物体最好关于测量系统运动。对物体借助于入射光照明，入射光在运动方向具有有限的散射，并借助于配置在物体与入射光同一侧的成象传感器检测从物体反射的光，该成象传感器把检测到的光转换为电荷，根据该电荷生成物体特征的数字表示。
背景技术
D1：US 3 976 384
D2：SE 501 650
D3：Erik，Automatic Inspection of Wood，doctoralthesis，University of 1996
D4：Wendt P，Coyle E，Gallangher N，Stack Filter，IEEE trans.ASSP-34，1986
业内已知一种检测木材中缺陷的先进方法，其中木材的表面由一光源例如激光器照明，并测量木材表层光的散射。就是说，穿越材料的光被记录，并在散射之后从材料其进入的不同位置显露。然而，这一现象取决于可以这种方式测量的材料的内部特征。然而入射光较大部分在表面反射，并称为“散射光”。点光源[D1]或另外的线性光源[D2]可用于这一目的。检测器可包括离散光敏元件，但在一种有利的实施例中线性光源与二维图象处理传感器一同使用[D2]。如果图象处理传感器便于定义各种窗口，就是说限制图象处理传感器被读出供处理的部分，则是特别有利的。
还知道通过以光源照明并检测传感器上反射光表示位置，能够测量物体的形状，就是说其截面的几何轮廓，该传感器从给定的角度观察该物体，即所谓三角测量。以下这将被称为轮廓测量。类似地还知道在一个图象中，通过使用一个以上的光源[D2]，一个用于光散射，一个用于轮廓测量，照明木材表面而组合光散射测量和轮廓测量。
在测量光散射的已知方法中，来自光源照明的方向与图象处理传感器观察的方向基本上在同一平面。这就是说，不论木材块的几何轮廓如何，反射光和散射光两者的表示总是在图象处理传感器相同的位置结束。这就是说只需要读出图象表面一小部分，就因而能够以高频进行测量。
另一方面，在测量轮廓中，反射光和散射光的表示将根据尺寸相当自然地在不同的位置结束。这里需要兼顾图象窗口的尺寸与光源的角度，以便获得不同的测量范围和精度。这里最大的限制是这样的事实，即大的图象窗口引起要从图象处理传感器读出供进一步处理的大的数据量，并在于需要大的数据处理容量，以便对这些大量的图象数据进行计算。
当检查木材时，希望组合光散射和几何轮廓检测。然而由于上述的限制，实际上不能使用已知的方法获得足够的测量频率，用于同时测量光散射和轮廓。因而对这两种测量使用了不同的光源，而这时出现的一个问题是，这些特征是在给定的时刻在不同的位置测量的。因而必须对来自一个测量的数据进行校正，以便在空间上匹配来自另一测量的数据，而这种校正从来不能百分之百地进行。此外，一个明显的缺陷在于，多个不同的光源需要较高的系统成本。
发明内容
本发明的目的是要提供一种改进的方法，借助于一种测量系统用于同时获取物体的几何轮廓信息和围绕所述轮廓的预定区域中的光散射信息。
另一目的是要提供一种改进的装置，借助于一种测量系统用于同时读出物体的几何轮廓信息和围绕所述轮廓的预定区域中的光散射信息。
为实现本发明的上述目的，根据本发明，提供了一种用于通过使用测量系统在同时读出关于物体的几何轮廓的信息和关于围绕所述几何轮廓预定区域中光散射的信息时获得足够的测量频率的方法，其中测量系统和/或物体在预定的运动方向彼此相对运动，所述方法包括以下步骤：利用入射光从光源照明物体，所述入射光在运动方向中具有有限的散射；通过成象传感器检测从物体反射的光，所述成象传感器被设置成同光源一样位于物体的相同侧并距离光源预定距离；成象传感器把检测到的光转换为电信号；根据电信号生成物体的数字图象，从所述数字图象同时读出关于物体的几何轮廓的信息和光散射的信息；其特征在于，所述方法还包括：减少数字图象中的数据量以获得所述测量频率的步骤。
根据本发明，还提供了一种用于通过使用测量系统在同时读出关于物体的几何轮廓的信息和关于围绕所述几何轮廓预定区域中光散射的信息时获得足够的测量频率的装置，其中测量系统和/或物体在预定的运动方向彼此相对运动，所述装置包括：光源，被设置成利用入射光照明物体，所述入射光在运动方向中具有有限的散射；成象传感器，被设置成同光源一样位于物体的相同侧并距离光源预定距离，以及所述成象传感器被设置成检测从物体反射的光并把检测到的光转换为电信号；图象处理单元，被设置成根据电信号生成物体的数字图象，从所述数字图象同时读出关于物体的几何轮廓的信息和光散射的信息；其特征在于，所述图象处理单元还被设置成减少数字图象中的数据量以获得所述测量频率。
附图说明
现在将以实施例并参照附图更为详细地说明本发明，其中
图1示出本发明的测量系统的透视图；
图2示出在成象传感器中记录的在物体上光源反射的图象；
图3示出传感器图象如何被压缩；
图4示出为重构原始图象所使用的解码向量的实施例；
图5示出求和的图象列中的强度分布；
图6示出如何使用强度分布以便获得光散射信息；
图7示出用于产生求和图象及解码向量的一实施例；
图8示出用于产生求和图象及解码向量的另一实施例。
具体实施方式
本发明涉及一种借助于一个及同一光源用于快速测量光散射和/或几何轮廓的方法。实际上这是在对后继计算机单元给定有限带宽的情况下，用于降低或接近实际图象处理传感器的数据量从而获得高测量频率的方法。然后关于光散射和/或几何轮廓的所有的重要信息能够从降低的集合重构。
现在将参照以下附图说明本发明。图1示出一典型的设置，带有包含一成象传感器的相机1，线性光源2，例如一激光器，以及其特征待表示的物体3。图1中，物体3上光入射的线由4标记。不同于线性光源的其它光源也可使用。图2示出由相机记录的图象5，其中激光器线4的表示由线6示出。现在假设我们通过按列相加数个图象，例如每第十个图象的行而形成总的图象，如图3所示。从而在所得的总图象7中行1将表示行{1，11，21}等的和，行2表示{2，12，22}等的和。
以下，光源的表示与在物体上反射的及在物体中散射的光的图象传感器上的表示相关。
在形成总和同时，对每一列保持对光源的表示首先变成可视的行的校验。例如可通过连续比较总和与阈值作到这一点。如果对另一行求和后总和通过阈值达一定列，则对出现这一情形的位置作出标记。例如可通过在位字段8中保存阈值操作的结果作到这一点。位字段8包含与对总图象中每一行求和的行数同样多的位。例如如果第一总图象在行31后达到阈值，就是说在第三个求和后，则寄存器中输入位3。如果下一个总图象在行22达到阈值，就是说在第二求和后，则输入位2等等。当所有的求和完成时结果不仅是总图象，而且还有一向量9，一位字段用于每一列，这能够用来计算在原始传感器图象中哪里首先产生了光源的表示。这更详细地表示在图4中。然而应当注意，这只是记录当或达到一定水平时位置的几种可能方式之一。本发明不依赖于这究竟是如何作出的。
应当提及的是，作为求和的另一方式，可使用一种最大运算，其中保持每一列中的最大值。这实际上给出一种较少噪声灵敏性的结果，但另一方面实现的成本可能比较高。因而这与实施方式有关。作为另一方式，也可使用另外的所谓堆叠滤波器运算[D4]。
该方法当在计算机单元中再生数据时，从带有位字段9的向量根据以上继续进行，这给出线的位置粗略的估计。位字段可看作给出局部窗口10在由求和图象表示的原始图象中的位置。只有原始图象包含激光器线4的那些部分有重要作用。如果线位于两个局部窗口之间的边界处，则位字段中两个对应的位都设置为一，如图4所示。
然后从求和图象能够精确检测光源的表示位于总图象中哪一个传感器行。如果光源的表示被指定扩展到多个传感器行的量值和形状，通过分析给定列12中的强度分布13还能够以亚象素的精度13检测线的位置。由于成象传感器实际上包括离散的图象点，这一分析是基于一系列离散值进行的，如图5所示。例如参见[D3]以这种方式以大的精度确定线的位置是熟知的，即使在已知的方法中这种计算也是直接从原始图象进行的。在我们的情形下我们对求和图象进行计算，但通过组合这图象与来自位字段9的信息，我们能够对该线位于原始图象中何处进行精确地重构。
同样地，还能够通过研究光源在数个传感器行上的表示的形状测量光散射。在表层散射光的材料中，光源的表示将显然比没有光散射的材料宽。我们假设检测到的强度分布有如图5所示的形状。因而例如可通过直接研究边缘区域(图6中的A)中的强度，或另外通过比较外部区域与中间区域(图6中的B)，或总的强度(A+B)，获得光散射的测量。测量边缘强度的一种可能的方式是从先前计算出的位置13进行，因而这可能位于两个传感器行之间。然后，在两个方向移动预定的距离，例如通过内插计算在位置14处的边缘强度。然而其它以不同方式作为强度分布形式的函数变化的被测量的值也是可行的，而本发明与这究竟如何实现无关。
求和图象的形成与线的位置的检测能够以数种不同方式进行。一种可选的方式是使用与计算机单元例如数字信号处理器组合的传统的图象处理传感器。如果图象处理传感器具有用于按随机顺序读出传感器行的装置，则能够通过根据图7的电子电路有利地形成总图象和位字段向量，其中加法器15对缓存在线寄存器16中的各线的内容求和，同时阈值电路17用来检测线的近似位置。这里图7在以下意义上某种程度被简化，即阈值电路17保证只有当总图象第一次超过阈值时是在结果向量9获得的。在一有利的实施例中，使用具有多个并行输出的图象处理传感器，例如Photobit PB1024，其中图7中的电路18以对如图8中所示的每一输出的设置被重复。作为另一求和方式这里还可使用最大运算。
在另一种有利的实施例中，使用具有用于并行处理列中的图象数据的集成电路的图象处理传感器，例如MAPP2200及MAPP2500。这些电路还提供了用于通过对来自不同传感器行的数据模拟求和形成列的装置。因而该方法能够以很高的速度执行。
以上只展示了使用一个光源或相机的单侧测量。实际上常常使用用于每一侧的测量装置从一个以上侧测量木材。这些或者能够彼此相关地配置，使得它们可在木材进给方向中的各种位置测量，或者它们能够位于同一位置。在后者情形下，适于保证来自光源的平面重合。另外如果木材形状不规则，能够受到来自相邻测量单元的光源的干扰。如果在任一侧的光平面重合，则光源可有利地配置使得单面受到来自一个以上光源的照明。例如，能够在平面中转动光源使得它们从45度角照明木材。这不仅给出更为均匀的照明，而且有更大的安全性，因为如果一个光源有故障照明仍然可得。无论如何，在单侧照明的情形下，要避免在平面内从不同方向使用多个光源，以实现更为均匀的照明和增加的可靠性。
在以上的说明中，规定了光源是线性的。一种另外的实施例涉及以一个或多个行中的一系列点代替线。类似地如在说明中所述，测量是对一块木材进行的。本发明明显地同样可工作在某些其它形状的物体或不同于木材的材料中测量几何轮廓和/或光散射。材料例子有纤维材料诸如纤维素和纸。因而本发明必须看作为仅由以下本专利权利要求的范围所限。

Claims (16)

1.一种用于通过使用测量系统在同时读出关于物体(3)的几何轮廓的信息和关于围绕所述几何轮廓预定区域中光散射的信息时获得足够的测量频率的方法，其中测量系统和/或物体(3)在预定的运动方向彼此相对运动，所述方法包括以下步骤：
利用入射光从光源(2)照明物体(3)，所述入射光在运动方向中具有有限的散射；
通过成象传感器(1)检测从物体(3)反射的光，所述成象传感器被设置成同光源(2)一样位于物体(3)的相同侧并距离光源(2)预定距离；
成象传感器(1)把检测到的光转换为电信号；
根据电信号生成物体(3)的数字图象(5)，从所述数字图象(5)同时读出关于物体(3)的几何轮廓的信息和光散射的信息；
其特征在于，所述方法还包括：减少数字图象(5)中的数据量以获得所述测量频率的步骤。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，数字图象(5)被划分为行和列，以及通过减少行数来减少数据量，由此生成数字图象(5)的压缩图象(7)。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，通过按预定顺序对列中的数字图象(5)的行求和减少行数。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，通过模拟装置进行求和。
5.根据权利要求3的方法，其特征在于，通过数字装置进行求和。
6.根据权利要求3的方法，其特征在于，在按列求和中，对于每一列保存关于电信号超过预定阈值的行的信息，该信息指示反射光刚好在该行被检测。
7.根据权利要求2的方法，其特征在于，通过对每一列保存最大值来减少行数。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于，除了关于物体(3)的几何轮廓和光散射的信息之外，还从数字图象(5)中读出关于强度分布的信息。
9.一种用于通过使用测量系统在同时读出关于物体(3)的几何轮廓的信息和关于围绕所述几何轮廓预定区域中光散射的信息时获得足够的测量频率的装置，其中测量系统和/或物体(3)在预定的运动方向彼此相对运动，所述装置包括：
光源(2)，被设置成利用入射光照明物体(3)，所述入射光在运动方向中具有有限的散射；
成象传感器(1)，被设置成同光源(2)一样位于物体(3)的相同侧并距离光源(2)预定距离，以及所述成象传感器被设置成检测从物体(3)反射的光并把检测到的光转换为电信号；
图象处理单元，被设置成根据电信号生成物体(3)的数字图象(5)，从所述数字图象(5)同时读出关于物体(3)的几何轮廓的信息和光散射的信息；
其特征在于，所述图象处理单元还被设置成：减少数字图象(5)中的数据量以获得所述测量频率。
10.根据权利要求9的装置，其特征在于，数字图象(5)被划分为行和列，以及所述图象处理单元还被设置成减少行数，由此生成数字图象(5)的压缩图象(7)。
11.根据权利要求10的装置，其特征在于，所述图象处理单元还被设置成按预定顺序对列中的数字图象(5)的行求和，由此减少行数。
12.根据权利要求11的装置，其特征在于，所述图象处理单元还被设置成在按列求和中，对于每一列保存关于电信号超过预定阈值的行的信息，该信息指示反射光刚好在该行被检测。
13.根据权利要求9的装置，其特征在于，入射光是线性的。
14.根据权利要求9的装置，其特征在于，入射光由多个点或线段组成。
15.根据权利要求10的装置，其特征在于，所述图象处理单元还被设置成对每一列保存最大值，由此减少行数。
16.根据权利要求9的装置，其特征在于，除了关于物体(3)的几何轮廓和光散射的信息之外，所述图象处理单元还被设置成从数字图象(5)中读出关于强度分布的信息。
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