[发明专利]6自由度位置和取向确定

说明书

本发明总体上涉及根据权利要求1的前序部分所述的一种三维的已知形状的六自由度位置和取向确定方法以及根据权利要求15的前序部分所述的六自由度空间位置和取向确定装置。

在许多应用中，需要确定目标对象在3D空间中的位置和取向。其中，必须通过测量目标对象的空间坐标及其空间取向来确定目标对象在空间中的空间姿态，从而导致需要评估最多达六个自由度。目标对象可以是关注对象本身，或者是附着到关注对象的专用目标对象。

例如，在WO2005/039836中，提出了通过相机系统观测附着到机械臂的加工工具在3D空间中的位置和取向的机械臂定位控制。

工程机械的控制是另一应用，例如，如US5,771,978中描述的，其中，跟踪站跟踪回射器，该回射器作为目标标记附着到机器的加工工具(在此示例中，是用于将土移为期望的形状的推土机的推铲)。

文献EP1171752(-获得2010年欧洲发明奖)描述了另一应用，其中，通过跟踪装置以六个自由度确定用于坐标测量的测量探针的位置和取向，所述跟踪装置跟踪附着到探针的多个专用离散奇异参考点，以用于以六个自由度确定测量探针尖端的姿态。

目标对象的上述高精度姿态确定方法需要相当复杂且昂贵的测绘设备，例如，诸如激光扫描仪、全站仪、跟踪站等的装置。

另选地，诸如立体成像，需要复杂的多个相机和照明设备(setup)，具有相对低的精度并且在测量中遭受歧义问题。

图案投影系统(类似布伦瑞克工业大学(TU-Braunschweig)的DAVID激光扫描仪项目)也是已知的。例如，如www.david-laserscanner.com上公布的，在目标上扫描激光图案(例如，线)，数字视频相机记录所得到的图像，由此创建扫描对象的3D点云模型。还可使用相机的拍摄图像来将所得到的3D模型纹理化。由于扫描，相机的整个视场的数字化花费时间，因此不适于评估或观测不稳定对象。

在微软关于相机校准的技术报告中(公布于“IEEE transactions on pattern analysis and machine intelligence”，第22卷，第11期，2000年11月)，描述了一种用于3D计算机视觉的数码照片相机的校准系统，其以不同取向观测单个平面图案以实现相机校准，从而使得能够从相机拍摄的2D图像更精确地提取度量(metric)信息。

在US2005/0002555中，将存储的第一组工件图像(从不同方向拍摄)与工件的实际图像进行比较。然后移动相机以与存储的第一组图像非常相似，并且进行与存储的第二组图像(以较窄间距拍摄)的第二次比较，以确定工件的位置和姿态。

对于通过收集3D点云的3D测量，使用深度成像模块(Range Imaging Module，RIM)也是已知技术，其可将“一次拍摄(one shot)”中的整个场景数字化。原则上，RIM相机包括像素阵列，所述像素阵列(例如)通过本领域已知的脉冲、相位、信号形状或干涉测量原理(例如)基于光辐射的飞行时间测量(TOF)用作光电测距仪(例如，参见J.M.Rueger的“Electronic Distance Measurement”，第4版，Springer-Verlag，柏林，海德堡，1996年)。由这种RIM相机拍摄的深度图像包括相机的各个像素的距离信息，从而得到从单个视点拍摄的场景的3D图像。由此在极坐标下根据相机像素的角视场以及以长度为单位随之确定的距离进行测量。

测量的RIM图像的图形视图可(例如)通过冷光或距离的颜色键控以二维表示呈现为RIM图像的视图的2D画面。另选地，测量的RIM图像的图形视图可以按照轴测视图或由真实3D显示来呈现。除了深度信息之外，散射后距离测量辐射的强度也可通过RIM相机确定并在图像中提供。

然而，可用RIM装置常常遭受相对低的分辨率和精度，例如，视场的分辨率目前远低于1百万像素(例如，176×144像素＝0.025百万像素)，cm范围的距离分辨率是常见值。存在特定的已知技术来改进这些参数，类似变焦和视场的角运动，但是这些技术均经受类似再次延长测量时间(这是重要参数)的缺点，特别是在测量潜在移动的目标的情况下。