[发明专利]确定物体上3D表面特征和不平度的系统和方法

说明书

本发明提供了一种确定物体上3D表面特征和不平度的系统和方法，用于确定含有相对于物体上光滑周围表面而言的上升或凹陷区域的某些表面特征的位置和特性的系统和方法。滤波器对场景的距离图像起作用。滤波器在每个像素周围限定环形或其他周长形状，在所述像素内建立最佳拟合表面。所述像素的法线允许导出局部位移高度。所述位移高度用于建立所述物体的高度偏差，通过所述高度偏差，可以确定凸块、凹部或者其他高度位移特征。所述凸块滤波器用于通过将最小不平度映射到网格中并随后将所述网格阈值化以在具有这种不平度的表面上定位区域。具有最小成本的区域是应用标签和其他物品的可接受的候选区域，在所述区域内，一平滑表面满足需要。

技术领域

本发明涉及用于在三维(3D)空间中确定成像的物体表面位移的机器视觉系统。

背景技术

在制造和组装工艺中，通常可取地分析物体表面，以确定特征和/或不平度的性质。可以使用具有激光位移传感器(在本文中也称为激光束“断面仪”)的形式的机器视觉系统(在本文中也称为“视觉系统”)，来确定物体表面的位移(或“轮廓”)。激光位移传感器在与光束传播路径垂直的特定平面中使用激光束的平面幕状物或“风扇”来捕捉并且确定扫描的物体表面的(三维)轮廓。在传统的设置中，视觉系统相机组件定向为从平面的外面观看光束的平面。这种设置捕捉在物体表面上的投影线(例如，沿着物理x轴延伸)的轮廓，由于在光束(风扇)平面与相机之间的基线(即，沿着y轴的相对间隔)，所以这促使成像线表现为根据成像点的物理z轴高度(沿着图像x轴)在y轴方向变化。这种偏差表示表面的轮廓。激光位移传感器可用于广泛的检查和制造操作中，其中，用户期望通过三角测量法来测量和表征扫描的物体的表面细节。激光位移传感器的一种形式使用具有可以基于CCD或CMOS设计的透镜组件和图像传感器(或“成像器”)的视觉系统相机。成像器在通过透镜从成像场景中接收聚焦光的图像平面上限定预定的灰度场或颜色传感像素。

在典型的设置中，位移传感器和/或物体进行相对运动(通常在物理y坐标方向)，以便由相机扫描物体表面，并且通过期望的空间间隔(通常与编码器或其他运动测量装置相关联)(或者替换地，通过基于时间的间隔)，获得激光线的一系列图像。通常从单个获取的图像中取得这些单轮廓线中的每个。这些线路共同描述成像物体和周围成像场景的表面，并且限定“距离图像”或“深度图像”。

其他相机组件还可以用于在场景中捕捉物体的3D图像(距离图像)。例如，可以使用结构光系统、立体视觉系统、DLP计量以及其他设置。这些系统均生成将高度值(即，z坐标)提供给像素的图像。

由各种类型的相机组件(或其组合)生成的3D(距离)图像可以用于定位和确定在物体表面上的特定特征的存在和/或特性。对于视觉系统，识别和定位这种特征是一种挑战，尤其是在该表面本身限定一个不同的表面轮廓的情况下。进一步的挑战是定位适合于放置某些物品以及应用某些工艺(例如，标签和/或印刷品)的物体的区域，其中，3D表面不平度可以危害令人满意的放置。

发明内容

通过提供一种用于相对于在总体物体上的光滑的周围表面确定通常包括上升或凹陷区域的某些3D表面特征的位置和相对特性的系统和方法，本发明克服了现有技术的缺点。该系统和方法使用对场景的距离(深度)图像起作用的滤波器。滤波器可以在每个像素周围限定环形或其他合适的周长形状，从所述像素中建立最佳拟合表面(例如，最佳拟合平面)。最佳拟合表面用于在像素中生成法线。该法线用于相对于最佳拟合平面的平均高度导出局部位移高度。位移高度用于建立物体的总体“凸块”或高度偏差图像，通过该图像，可以使用合适的视觉系统工具(例如，blob工具、边缘工具、卡尺工具等)，来定位和分析凸块、凹部或者其他高度位移/偏差特征。