用于校准测量设备的方法 |
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| 申请号 | CN201480046612.2 | 申请日 | 2014-07-29 | 公开(公告)号 | CN105474037B | 公开(公告)日 | 2017-12-19 |
| 申请人 | 喜利得股份公司; | 发明人 | A·温特; | ||||
| 摘要 | 一种用于借助于目标对象(13)校准测量设备(10)的方法，在该方法中，在校准测量设备(10)之前根据多个评价标准检查目标对象(13)的适宜性。借助于目标对象(13)对测量设备(10)的校准仅在目标对象(13)满足所有评价标准时才实施。为了分析目标对象(13)，借助照相装置在不具有激光射束(11)的情况下拍摄目标对象(13)的图像并且在具有激光射束(11)的情况下拍摄目标对象(13)的图像，并且通过 图像处理 方法和对象识别方法来分析。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于校准测量设备(10)的方法，所述测量设备包括沿着测量轴线(38)发射激光射束(11)的激光测量装置(21)、具有目标轴线(39)的照相装置(22)并且包括监控装置(23)，所述方法包括下述方法步骤： |
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| 说明书全文 | 用于校准测量设备的方法技术领域[0001] 本发明涉及一种用于借助于目标对象来校准测量设备的方法以及一种用于实施这种方法的测量设备。 [0002] 术语“校准”限定一种测量方法，在该方法中，确定和记录在第一和第二参量之间的偏差。所确定的偏差在测量设备的随后使用中被考虑用于校正。 背景技术[0003] 光学测量设备包括一个或多个激光测量装置、照相装置和监控装置，其中，所述激光测量装置例如构成为角度测量装置或距离测量装置。借助于光学测量设备能够确定目标对象的角度、距离和位置。术语“目标对象”概括为所有的、反射、散射或者反射和散射入射的激光射束的对象。 [0004] 在测量自然目标例如建筑物的角或边时，测量设备的测量精度很大程度上取决于，照相装置的目标轴线和激光测量装置的测量轴线被多么精确地同轴设置。测量设备具有越多的可运动的光学器件，则测量轴线和目标轴向的同轴度的偏差增加。带有变焦镜头的照相装置具有高的光学分辨率，但是同时具有不稳定的目标轴线。 [0005] 已知的是，测量设备的测量轴线和目标轴线的同轴度由操作者检查并且如果必要的话手动地经由调准元件来校正。由操作者手动调准是耗费的。 发明内容[0006] 本发明的目的在于，开发用于校准测量设备的自动的方法，所述方法能够在没有操作者干预的情况下实施。此外，应开发一种用于实施该校准方法的相应的测量设备。 [0007] 根据本发明，测量设备包括沿着测量轴线发射激光射束的激光测量装置、具有目标轴线的照相装置并且包括监控装置，用于校准所述测量设备的方法包括下述方法步骤： [0008] -在关断激光射束的情况下借助于所述照相装置拍摄目标对象的第一图像，[0009] -在所述目标对象的第一图像中确定在目标轴线的存储于监控装置中的位置周围的图像部分， [0010] -确定在所述图像部分的最暗的图像区域和所述图像部分的最亮的图像区域之间的第一对比度， [0011] -将所述第一对比度与存储在监控装置中的第一极限值进行比较， [0012] -如果第一对比度不超过所述第一极限值，那么在接入激光射束的情况下借助于照相装置拍摄目标对象的第二图像， [0013] -确定在目标对象的第一和第二图像之间的差分图像， [0014] -在目标对象的所述差分图像中识别激光射束区域和环境区域， [0015] -确定在所述环境区域的最亮的图像区域和所述激光射束区域的最暗的图像区域之间的第二对比度； [0016] -将所述第二对比度与存储在监控装置中的第二极限值进行比较， [0017] -如果第二对比度不低于所述第二极限值，那么确定激光射束区域的重心并且确定重心坐标；并且 [0018] -将激光射束区域的所述重心坐标作为目标轴线的新的位置存储在监控装置中。 [0019] 根据本发明的方法具有下述优点：仅在目标对象满足两个评价标准时才借助于目标对象实施测量设备的校准。根据第一对比度检查目标对象的亮度方面的均匀性作为第一评价标准，并且根据第二对比度检查在所识别的激光射束和周围的目标对象之间的亮度方面的差别作为第二评价标准。 [0020] 目标对象的图像的分析借助于已知的图像处理方法和目标识别方法进行。术语“目标识别”总结为用于借助于光学、声学或其它物理识别方法在对象空间内识别已知的对象的方法。 [0021] 对比度是用于图像亮度分布的差别特征或用于在两个图像区域之间的亮度差别的差别特征。将以坎德拉为单位来测量的光强或类似的测量参量用作用于亮度的物理测量参量。照相装置为图像传感器的每个像素提供像素值。目标对象的图像的最小单元称为图像区域，该最小单元在根据本发明的方法范围中被考虑用于评价目标对象。图像区域可包括一个单独的像素或者多个相邻的像素。当各图像区域分别包括一个像素时，将该单独的像素的像素值在计算对比度时进行比较；在各图像区域具有多个像素时，将各像素值求平均值得到测量值并且将求平均值所得的测量值随后进行比较。 [0022] 第一对比度通过1和在图像部分的最暗的图像区域(最小的测量值)和最亮的图像区域(最大的测量值)之间的测量值的比例的差来限定并且作为百分比值给出。为了在校准时限制测量误差，目标对象应具有尽可能均匀的表面结构，所述尽可能均匀的表面结构在目标对象的图像中显示为均匀的亮度。图像区域与图像部分的最亮的图像区域的偏差必须小于第一极限值。第一极限值例如为5％，即图像部分的所有图像区域相对于最亮的图像区域具有小于5％的偏差。第一极限值被预先确定并且存储在监控装置中。 [0023] 在将第一对比度与第一极限值进行比较之后，如果第一对比度超过第一极限值，那么中断所述校准方法；如果第一对比度低于或者说不超过第一极限值时，那么才继续所述校准方法。如果图像部分的第一对比度超过第一极限值，那么目标对象不适用于对测量设备进行校准，并且中断校准方法。测量设备可被监控装置从校准模式切换到测量模式；对于另外的测量，将存储在监控装置中的位置用作目标轴线的位置。 [0024] 第二对比度通过1和在环境区域的最亮的图像区域(最大的测量值)和激光射束区域的最暗的图像区域(最小的测量值)之间的测量值的比例的差来限定并且作为百分比值给出。为了在校准时限制测量误差，激光射束区域应具有相对于环境区域更高的亮度。激光射束区域的图像区域与环境区域的图像区域的差别必须大于第二极限值。第二极限值例如为10％，即激光射束区域的所有图像区域具有比环境区域的各图像区域至少高10％的光强。第二极限值被预先确定并且存储在监控装置中。 [0025] 在将第二对比度与第二极限值进行比较之后，如果第二对比度低于第二极限值，那么中断所述校准方法，如果第二对比度超过或者不低于第二极限值，那么才继续所述校准方法。如果第二对比度低于第二极限值，那么目标对象不适用于对测量设备进行校准，并且中断所述校准方法。测量设备可被监控装置从校准模式切换到测量模式；对于另外的测量，将存储在监控装置中的位置用作目标轴线的位置。 [0026] 根据本发明的用于校准测量设备的方法的一个优选的改进方案的特征在于如下附加步骤： [0027] -实施与目标对象的距离测量；并且 [0028] -将所测量到的距离与存储在监控装置中的距离范围进行比较， [0029] 测量设备到目标对象的距离是另一评价标准，该评价标准评价用于校准测量设备的目标对象的质量。距离测量和与存储在监控装置中的距离范围的比较可在照相装置拍摄目标对象的第一图像之前实施、在检查第一评价标准之后实施或者在检查第二评价标准之后实施。 [0030] 如果所测量到的、测量设备与目标对象的距离位于存储的距离范围之外，那么特别优选中断所述校准方法，如果所测量到的距离位于存储的距离范围之内，那么才继续所述校准方法。为了在校准时限制测量误差，目标对象应设置在固定的距离范围之内。如果距离位于距离范围之外，那么目标对象不适用于校准测量设备，并且中断所述校准方法。对于位于距离范围之上的距离而言，存在下述风险：在激光射束区域之内的图像区域的光强过小。测量设备能够被监控装置从校准模式切换到测量模式；对于另外的测量，将存储在监控装置中的位置用作目标轴线的位置。 [0031] 为了实施根据本发明的用于校准测量设备的方法，所述测量设备包括： [0032] -激光测量装置，所述激光测量装置沿着测量轴线发射激光射束， [0033] -具有目标轴线的照相装置，和 [0034] -监控装置，该监控装置包括用于控制所述激光测量装置和所述照相装置的控制元件并且包括分析元件和存储元件。 [0035] 在测量设备的一个优选的改进方案中，所述照相装置具有照相光学机构，所述照相光学机构能够在第一和第二焦距之间切换，其中，在存储元件中对于照相光学机构的第一焦距存储有目标轴线的第一位置，并且对于照相光学机构的第二焦距存储有目标轴线的第二位置。在具有可运动的光学机构的照相光学机构中，目标轴线的定向通过光学机构的运动而改变。当对于照相光学机构的不同的焦距存储有目标轴线的相应的位置时，测量设备的测量精度能够得以改善。 [0036] 特别优选的是，所述照相光学机构能够在多于两个焦距之间切换，其中，在存储元件中为照相光学机构的每个焦距存储有目标轴线的一个位置。在可运动的光学机构中机械调节范围越大，则照相光学机构的不稳定性进而目标轴线的不稳定性增加。当对于不同的焦距存储有目标轴线的相应的位置时，测量设备的测量精度能够得以改善。附图说明 [0037] 下面借助于附图描述本发明的实施例。所述附图不必强制性地按比例示出实施例，更确切地说，用于阐述的附图以示意的方式和/或略微变形的形式实现。关于从附图中能够直接识别的教导的补充方面参见相关的现有技术。在此要注意的是，能够实行关于实施形式的形式和细节的多种改型和变化，而不会偏离本发明的总体构思。本发明的在说明书、附图中公开的特征既能够本身单独地也能够以任意组合的方式对于本发明的改进方案是重要的。此外，在本发明的范围中包括由在说明书、附图中公开的特征之中的至少两个所构成的所有组合。本发明的总体构思不局限于在下文中示出和描述的优选的实施形式的确切的形式或细节。在所给定的测量范围中，在所提及的界限内的值也应作为极限值公开并且可任意使用和要求保护。出于简单性，在下文中对于相同的或类似的部件或者具有相同或类似的功能的部件使用相同的附图标记。附图示出： [0038] 图1示出用于测量目标对象的测量设备的示意图； [0039] 图2示出图1的测量设备，所述测量设备能够按照根据本发明的用于校准的方法进行校准，所述测量设备具有距离测量装置、照相装置和监控装置； [0040] 图3示出根据本发明的用于校准测量设备的方法的一个实施方案的流程图； [0041] 图4A-C示出在关断激光射束的情况下目标对象的第一图像(图4A)，在接入激光射束的情况下目标对象的第二图像(图4B)，以及在第一和第二图像之间的差分图像(图4C)；和 [0042] 图5示出根据本发明的用于校准测量设备的方法的另一实施方案的流程图； 具体实施方式[0043] 图1示出用于测量目标对象的光学测量设备10的示意图。在测量设备10中产生激光射束11，所述激光射束经由耦合输出开口12从测量设备10中射出并且定向到目标对象13上。 [0044] 测量设备10能够借助于调节装置14沿多个方向调节，从而激光射束11能够定向到不同的目标对象上，所述目标对象例如能够在高度和/或角定向方面不同。测量设备10支承在U形支承元件15中并且能够相对于支承元件15围绕水平的倾覆轴线16调节。支承元件15设置在三角架盘17上并且能够相对于三角架盘17围绕竖直的转动轴线18转动，从而能够在所有角方位中对准目标对象。其上固定有测量设备10的三角架通常定向为，使得倾覆轴线16垂直于垂线设置，并且转动轴线18平行于垂线设置。 [0045] 图2示出测量设备10的主要组件，所述测量设备能够按照根据本发明的方法校准。测量设备10具有激光测量装置21、照相装置22和监控装置23。测量设备10的所述组件21、 22、23能够如在图2中示出的那样设置在一个共同的设备壳体24中，或者所述组件21、22、23设置在多个壳体部件中。 [0046] 激光测量装置21构成为具有电光组件(射束源和检测器)同轴布置结构的距离测量装置。具有电光组件同轴布置结构的距离测量装置相比于旁轴布置结构(在该旁轴布置结构中电光组件的光学轴线平行位错地延伸)具有视差自由度的优点并且因此更好地适用于在测量设备10中的应用。距离测量装置21包括构成为射束源25的第一电光组件、构成为检测器26的第二电光组件、射束成形光学机构27、射束分束光学机构28、光学机构载体29、电路板31和监控元件32。具有高稳定性的激光测量装置21特别适用于具有高测量精度的测量设备10的结构。具有电光组件同轴布置结构的稳定的距离测量装置在EP 2 527 866 A2和EP 2 527 867 A2中详细描述。 [0047] 射束源25构成为激光二极管，所述射束源产生在可见或红外频谱中的激光射束。检测器26构成为光电二极管，其中，光电二极管26的特性匹配于激光二极管25。监控元件32与射束源25和检测器26连接并且由在基准射束和由检测器26检测到的接收射束之间的时间差来确定与目标对象13的距离。射束成形光学机构27构成为透镜，所述透镜使发射的激光射束和由目标对象13反射和/或散射的接收射束成形。借助于射束分束光学机构28将来自射束源25的激光射束与反射和/或散射的接收射束在空间上分开。 [0048] 照相装置22包括图像传感器33和照相光学机构34。各种光敏的电子器件都适于作为图像传感器，借助所述光敏的电子器件能够从目标对象创建数字图像。例如将CCD传感器、CID传感器或CMOS传感器用作图像传感器。图像传感器由光敏元件的阵列构成，图像传感器的最小单元称作像素，并且照相装置为每个像素提供测量值，所述测量值称作像素值。图像传感器的每个像素对应于目标对象的图像中的一个图像区域。像素的面积越大，光敏性就越高，但是图像分辨率越小。照相光学机构34能够如在图2中示出的那样由单独的光学机构构成或者包括多个能够彼此相对运动地构成的光学机构。由于照相光学机构34具有多个光学机构而能够提高照相装置22的光学分辨率，其中，稳定性由于光学机构可运动而减小。 [0049] 监控装置23包括用于控制距离测量装置21和照相装置22的控制元件35、用于分析由照相装置22拍摄的图像的分析元件36以及用于存储预先设定的用于校准方法的参数的存储元件37。照相装置22的控制和图像的分析经由监控装置23进行，所述监控装置经由通信连接与照相装置22连接；备选地，分析元件36能够集成到照相装置22中并且经由通信连接与监控装置23连接。距离测量装置21的监控元件32经由通信连接与监控装置23连接。电光组件25、26的控制以及距离的计算在该实施方式中借助于监控元件32实现；实施距离测量或将激光射束11作为定位射束发射的控制指令由控制元件35创建。备选地，监控元件32能够集成到监控装置23中。 [0050] 距离测量装置21和照相装置22必须精确地彼此相对设置，以便减少在测量时的测量误差。激光射束的光学轴线定义为距离测量装置21的测量轴线38，并且照相光学机构34的光学轴线定义为照相装置22的目标轴线39。为了将测量轴线38和目标轴线39彼此同轴地设置，在设备壳体24中设置有第一和第二转向镜41、42，所述转向镜将激光射束和接收射束两次转向。转向镜41、42对于激光射束和接收射束的波长而言反射地构成。从距离测量装置21中射出的激光射束入射到第一转向镜41上，该第一转向镜将激光射束转向90°。被转向的激光射束入射到第二转向镜42上，该第二转向镜将激光射束同样转向90°。两次转向的激光射束的光学轴线38仅在理想情况下与照相装置22的光学轴线39同轴地延伸，在实践中，测量轴线38和目标轴线39可能彼此相对地倾斜。 [0051] 图3示出根据本发明的用于借助于目标对象校准测量设备的方法的一个实施方案的流程图。所述方法以测量设备10作为实例来阐述。测量设备10的校准自动地进行并且不需要操作者干预。根据本发明的方法能够在接入测量设备10之后、在走完预设的时间间隔之后或者在实施预设次数的测量之后一次性实施。测量设备10可在图3示出的实施方案中根据预设次数的测量来校准。 [0052] 照相装置22的目标轴线39的位置由设备制造商测量并且作为位置坐标XP、YP存储在存储元件37中。当在照相装置22中使用具有两个焦距f1、f2的照相光学机构34时，能够为照相装置22的每个焦距测量目标轴线39的位置并且将它们作为用于第一焦距f1的位置坐标XP1、YP1和用于第二焦距f2的位置坐标XP2、YP2存储在监控装置23的存储元件37中。目标轴线39的存储在存储元件37中的位置在目标对象的显示于图像传感器33上的当前图像中例如显现为十字线。十字线可为操作者简化激光射束的目标精确的定位。 [0053] 在测量设备10已实施预设次数的测量之后，监控装置23的控制元件35将测量设备10在步骤S01中切换到校准模式。在校准模式中，照相装置22定向到目标对象13上并且关断距离测量装置21的激光射束11。 [0054] 在步骤S02中，借助于照相装置22拍摄目标对象13的第一图像51，该第一图像在图4A中示意地示出。控制元件35为图像传感器33创建相应的控制指令，所述图像传感器存储目标对象13的第一图像51并且将其传输给监控装置23。在步骤S03中，在目标对象13的第一图像51中借助于分析元件36确定目标轴线39的存储在存储元件37中的位置坐标XP、YP周围的图像部分52。图像部分52的尺寸：高度H和宽度B被预先确定并且同样存储在监控装置23的存储元件37中。在步骤S03中实施的对第一图像51的分析在监控装置23中进行并且不对操作者显示。 [0055] 在步骤S04中，分析元件36为位于图像部分52内的像素确定相应的光强并且根据公式K1＝(1–P1,min/P1,max)*100％计算第一对比度K1来作为1和在图像部分52的最暗的像素P1,min和图像部分52的最亮的像素P1,max之间的光强的比例的差。100％的第一对比度K1对应于在光强方面的最大的差别，即最暗的像素P1,min不具有光强并且最亮的像素P1,max具有最大的光强。在0％的第一对比度K1的情况下，在最暗的像素P1,min和最亮的像素P1,max之间不存在光强方面的差别，即图像部分52的所有像素具有相同的光强。 [0056] 在步骤S04中，第一对比度K1由图像部分52的最暗的像素P1,min和图像部分52的最亮的像素P1,max之间的光强的比例计算出。备选地，能够将多个相邻的像素的像素值求平均值并且用于计算第一对比度K1。目标对象的图像的最小单元称为“图像区域”，所述最小单元用于在根据本发明的方法的范围中评价目标对象13。所述图像区域可包括一个单独的像素或多个相邻的像素，所述多个相邻的像素的像素值被求平均值得到测量值，其中，像素值在求平均值时可相同地或者不同地被加权。 [0057] 图像部分52的在步骤S04中计算出的第一对比度K1由分析元件36在步骤S05中与第一极限值G1进行比较。为了限制校准时的测量误差，目标对象13应具有尽可能均匀的亮度。第一极限值G1例如为5％，即图像部分52的所有像素相对于最亮的像素P1,max具有小于5％的偏差。第一极限值G1被预先确定并且存储在监控装置23的存储元件37中。如果图像部分52的第一对比度K1超过第一极限值G1时(K1>G1)，那么目标对象13不适用于对测量设备10进行校准。测量设备10由控制元件35在步骤S06中从校准模式切换到测量模式。 [0058] 根据本发明的方法根据步骤S05仅在图像部分52的第一对比度K1不超过第一极限值G1(K1≤G1)时才继续。在步骤S07中，借助于照相装置22在接入激光射束11的情况下拍摄目标对象13的第二图像53，所述第二图像在图4B中示意地示出。控制元件35创建用于距离测量装置21和照相装置22的相应的控制指令，图像传感器33存储目标对象13的第二图像53并且将该第二图像传输给监控装置23。分析元件36确定在步骤S08中在图4C中示意地示出的、在目标对象13的第一和第二图像51、53之间的差分图像54。为了能够补偿由图像传感器33的污染、像素的不均匀的敏感性等导致的亮度差别，目标对象13的第一和第二图像51、53能够在用于根据本发明的方法的分析之前以已知的图像处理方法如白图校正或平场校正来处理。在目标对象13的差分图像54中，在步骤S09中借助于分析元件36识别激光射束区域 55和环境区域56。对此使用对象识别的已知方法。在步骤S10中，分析元件36确定在对于激光射束区域55和环境区域56的差分图像54中的单独的像素的光强，并且根据公式K2＝(1-P2,min/P2,max)*100％计算第二对比度K2来作为1和在环境区域56的最亮的像素P2,min和激光射束区域55的最暗的像素P2,max之间的光强的比例的差。与第一对比度K1类似，多个相邻的像素的像素值能够求平均值得到测量值并且用于计算第二对比度K2。 [0059] 在步骤S10中计算出的第二对比度K2在步骤S11中借助于分析元件36与第二极限值G2进行比较。为了限制校准时的测量误差，激光射束区域55应具有比环境区域56更高的亮度。第二极限值G2例如为10％，即激光射束区域55的所有像素具有比环境区域56的各像素高至少10％的光强。第二极限值G2被预先确定并且存储在监控装置23的存储元件37中。如果第二对比度K2低于第二极限值G2(K2 [0060] 根据本发明的方法根据步骤S11仅在第二对比度K2不低于第二极限值G2(K2≥G2)时才继续。在步骤S13中，借助于分析元件36确定激光射束区域55的重心57和相关的重心坐标XS、YS。对此使用对象识别的已知的方法。激光射束区域55的重心坐标XS、YS在步骤S14中作为用于照相装置22的目标轴线39的新的位置存储在存储元件37中。分析元件36将重心坐标XS、YS传输给存储元件37，所述存储元件将重心坐标XS、YS作为目标轴线39的新的位置坐标XP、YP存储。测量设备10由控制元件35在步骤S15中从校准模式切换到测量模式。 [0061] 在图3中示出的根据本发明的方法能够分为三个部分。在步骤S02至S05中，根据第一对比度K1检查在目标对象13的亮度方面的均匀性，所述第一对比度表示用于目标对象13的第一评价标准。步骤S02至S05概括为第一评价部分B1。在步骤S07至S11中，根据第二对比度K2检查在激光射束区域55和环境区域56之间的亮度方面的差别，所述第二对比度表示用于目标对象13的第二评价标准。步骤S07至S11概括为第二评价部分B2。当目标对象13已经历第一和第二评价部分B1、B2时，在步骤S13至S15中确定目标轴线39的位置并且作为新的位置来存储。步骤S13至S14概括为计算部分R。 [0062] 图5示出根据本发明的用于借助于目标对象校准测量设备的方法的另一实施方案的流程图。该实施方案与图3的方法的区别在于，除了第一对比度K1和第二对比度K2以外还检查用于目标对象13的另一评价标准。 [0063] 测量设备10到目标对象13的距离是第三评价标准，所述第三评价标准评价用于校准测量设备的目标对象的质量。在步骤S21中，控制元件35创建用于距离测量装置21的控制指令。距离测量装置21在步骤S22中测量所述测量设备10到目标对象13的距离d。所测量到的距离d在步骤S23中由监控元件32传输给监控装置23。 [0064] 在步骤S24中借助于分析元件36将距离d与距离范围(D1、D2)进行比较。为了限制校准时的测量误差，目标对象13应设置在距离范围(D1、D2)之内。对于位于距离范围之上的距离而言，存在下述风险：在激光射束之内的像素的光强过小。距离范围(D1、D2)被预先确定并且存储在监控装置23的存储元件37中。如果距离d位于距离范围之外(d [0065] 步骤S21至S24概括为第三评价部分B3。可在照相装置22拍摄目标对象13的第一图像(步骤S02)之前实施距离测量(步骤S21至S23)和与距离测量范围的比较(步骤24)，如在图5中示出的那样。备选地，第三评价部分B3可在第一评价部分B1或在第二评价部分B2之后实施。 |
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