用于光学扫描表面区域内或上的边缘的方法

摘要

本发明涉及一种用于通过光学扫描来测定所关注的目标表面区域内的边缘的位置的方法。为此，对目标表面区域的反射系数进行分析。在不同的照射状态下，尤其是按不同的照射方向，光线被照射到目标表面区域并且在每个照射状态拍摄包含多个图像B的图像序列S1～Sn。图像序列S1～Sn的每个图像B以另一光照强度I拍摄。随后，从一个图像序列S1～Sn的大部分或全部的图像B中分别生成反射图像R1～Rn。随后，通过以加权方式相加而从大部分或全部的反射图像R1～Rn像中生成结果反射图像，在所述结果反射图像内，通过使用至少一个边缘定位准则亚像素精确地确定所关注的目标表面区域内的或目标表面区域上的边缘的位置。

说明书

本发明涉及一种用于光学测量或扫描一个位于表面区域内的或构成目标表 面区域边界的边缘的方法。为此，通过一台摄像机对包含至少两个与边缘交界 的子表面的所关注的表面区域照相拍摄。随后能够以一张或多张照片为基础借 助至少一个边缘定位准则确定边缘方位，进而查明边缘的位置。

例如，从DE 102 15 135 A1中已知一种边缘的测量方法。在那 里，为了能够获得最佳的测量结果，自动地测定图像影响量的控制信息。辅助 参数是从一个被测量的工件的图像信息中获得并且再从这些辅助参数中推导控 制信息。首先，根据一个或多个影响量确定至少两个辅助参数的变化。例如， 对比度，均质性，亮度和/或上升程度可以用作辅助参数。其中，以下述的方 式确定辅助参数的变化，即，在最佳的情况下，全部的变化具有一个最大值或 一个最小值。随后，对辅助参数的各个变化加权求和，求得一个总变化。加权 因数可以，例如，试验性地确定。最后，在总变化的极限值所处的位置把影响 量的值确定为影响量的控制信息。通过这种方法可以在拍摄图像时和进而在测 定边缘时优化测量设置。在确定边缘，可以加权相加多个不同的边缘定位准则， 例如，一个阈值准则和一个微分准则，以便能够改善确定边缘的位置。

此外，从DE 102 37 426 A1中已知一种工件的透射光测量 法。在其中，为了能够在透射光中精确地确定工件的轮廓，以优化探测特性为 目的根据一个控制准则控制摄像机的探测特性。例如，改变曝光时间，图像处 理传感器和/或传感器偏移量的信号放大。通过与工件轮廓的额定-灰度值变 化进行比较而从中推导出控制准则。

在DE 10 2007 003 060 A1中提出，在进行边缘探测时 确定测量点的品质。借助品质函数从灰度值的沿测量线的变化中估算像素值。 灰度值变化通过品质被加权处理并用于计算边缘方位。

在DE 10 2004 033 526 A1中描述了一种用于分析至 少能够局部地反射的表面区域的方法和装置。这种方法的核心在于，通过使用 结构中的组件的运动来测量被测目标的表面和形状。其中，充分利用当摄像机 与目标表面之间的相对位置或定位发生变化时，目标表面反射的图案也会发生 变化这种效果。可以在一个控制单元内分析处理这种图案上的变化。

此外，US 49 12 336还描述了一种用于探测表面形状的装置。在 其中，按顺序激活点状的光源并相应地拍摄由目标表面反射的图像。这种装置 适用于不同的表面反射特性。无论是对于像镜面一样定向反射的表面还是对于 具有漫反射特性的表面，以及混合型表面，这种装置都适用。对于每个被测量 的图像亮度，定向反射的组件通过一种提取算法与漫射反射的组件分开，以便 能够从中计算表面方向。

到目前为止，尽管采取了不同的优化措施，例如，在调整参数方面，仍然很 难准确地在图像中识别一个边缘的位置。因此，为了在进行光学扫描边缘时获 得更好的结果，在图像处理时也经常把滤波器应用于拍摄的图像。

基于上述的现有技术，本发明的技术问题在于提出一种特别简单的方法，在 所述方法中可以通过光学扫描亚像素精确地确定一个边缘的位置。

所述技术问题通过具有权利要求1所述特征的方法解决。

所述方法的核心在于，像素精确地测定所关注的目标表面区域的反射系数 和通过至少一个熟知的边缘定位准则光学扫描边缘。为此，按先后顺序在不同 的照射状态，例如，通过不同的光源组或从不同的照射方向照射表面区域和在 不同的照射状态下拍摄一个包含多个图像的图像序列。例如，这可通过由多个 光源形成的照射方向进行，其中，每次只使用一组光源或一组选定的光源用于 改变强度。可以将一个光源分配给多个光源组。但是不存在两个完全一致的光 源组。作为选择，也可以设置至少一个可定位的，可移动的光源组，其位置可 以不断变化。在从一个照射方向照射期间，拍摄一个包含多个图像的图像序列。 当从一个选定的照射方向照射目标表面区域时，通过这种方法产生一个包含多 个图像的图像序列或一叠图像。一个图像序列的每个图像是分别在不同的光照 强度下拍摄。例如，图像与图像之间的光照强度是逐步地增强。尤其是，一个 图像序列的各图像之间的光照强度差是一致的。优选，在拍摄图像序列期间， 摄像机与目标表面之间的相对位置保持不变。

借助每个图像序列的图像确定一个局部分辨的反射图像。这尤其是通过下述 方式进行，即，以图像序列的图像为基础，根据光照强度为每个像素确定一个 光量参数的变化曲线(Verlauf)。所述光量参数说明摄像机为相应所属的像素接 收的光量。例如，一个像素的灰度值可以作为光量参数。

优选，只有满足至少一个给定的选择标准的光量参数才用于形成与强度相关 的变化。尤其是可以使用下述的一个或多个条件作为选择标准：

-低于光照强度最小值的光量参数至多相当于光量最小值；

-高于光照强度最大值的光量参数至多相当于光量最大值；

-从光照强度最小值到光照强度最大值，光量参数呈递增之势。

通过至少一个选择标准，可以对无效的光量参数不予考虑。例如，通过过度 照射一个像素可能造成在该像素或相邻的像素产生错误的光量参数。在确定相 关像素的光量参数变化时，忽略这种无效的光量参数。这可能会导致，对于不 同的像素，同一个图像序列的不同图像的光量参数不予考虑。所述与强度相关 的光量参数变化——例如，在线性上升区域的增强——描述的是相关像素的反 射系数。从全部像素的反射系数中得出反射图。

最后，利用被拍摄的图像序列的至少一个反射图像确定结果反射图像。优 选，结果反射图像可以通过加权相加局部一致的像素的反射系数从反射图像中 生成。其中，加权因数也可以等于零，以至于在结果反射图像时各个反射图像 不予考虑。优选，可以对反射图像的局部的反射系数变化进行比较，从中产生 大于或等于零的加权因数。借此，可以保证目标表面区域的两个限定边缘的部 分表面建设性地重叠并阻止破坏性的重叠。例如，在进行这种比较时可以在一 个被观察的图像部分比较反射系数的与地点相关的变化。如果反射系数是根据 地点或在一个给定的公差范围内相同地或相似地变化，在确定结果反射图像时 具有这种反射系数的反射图像不予考虑。例如，如果在全部的反射图像中，有 一个反射图像的反射系数在一个图像部分是从像素到像素沿着一个方向降低或 基本上保持相同，而在其余全部的反射图像的反射系数值在局部地相符合的图 像部分内是从像素到像素沿着一个方向增加，则对该反射图像不予考虑。在加 权相加时，可以把不予考虑的反射图像的加权因数设置为零。

也优选，将至少一部分所测定的加权因数分配给当前测量的目标或目标表 面区域或同类型的目标或目标表面区域并保存。反射图像的性能在定向差不多 相同的目标表面区域基本上一样。以后在测量同类型的目标或目标表面区域的 边缘时可以使用能够这些知识，例如，当重复地在同类的或完全一致的工具或 工件测量边缘时。在这里，不用再拍摄那些由于照射状态导致不能生成可利用 的反射图像的图像序列。在以后测量同类型的目标或目标表面区域的边缘，只 需拍摄那些其反射图像曾经用于确定结果反射图像，即，其反射图像被赋予一 个大于零的加权因数的图像序列。例如，也可以设定一个最小加权因数和在以 后测量同类目标的边缘时只拍摄那些在进行其它测量之前其反射图像已经获得 一个加权因数的图像序列，其中，该加权因数至少相当于最小加权因数。这种 措施可以大幅地缩短需要的测量时间。

最后，所获得的结果反射图像用于，通过至少一个熟知的准则沿着测量线 确定一个目标表面区域内或目标表面区域上面的边缘。因为，在确定边缘轮廓 时可以使用的数据远远超出需求，因此，在按照本发明方法确定边缘时存在一 个重复测定的问题，致使在确定边缘位置时精度高于在从图像中确定的时候。 在确定一个边缘时生成一个反射图像，其优势在于，也可以准确地确定只通过 两个方位不同，但是表面性能不可区分的表面部分形成的边缘。局部的锐度曲 线变化，例如，由于显微加工痕迹造成，不会导致不准确地确定边缘。所述方 法很实用，只需要很少的计算能力，尤其适合于，例如，在入射光下条件下光 学扫描工件，工具。

按照本发明方法的优选的结构形式产生于从属的权利要求以及说明。说明局 限于一个实施示例以及其它情况的基本的特征。利用附图作为补充说明。

附图说明：

图1 一个用于执行按照本发明方法的装置的框图，

图2 一个包括多个光源的照射方向的框图，

图3 包括多个像素的图像，

图4 确定反射图像以及结果反射图像

图5 为确定结果反射图像选择反射图像

图6和图7 示范性地显示在反射图像相加时的中性性能

图8 示范性地显示光源的光照强度与灰度值变化之间的关系

图9 按照本发明方法的一个实施示例的流程图

在图1和图2中显示的是一个用于探测一个目标9的一个目标表面区域1 2的一个边缘11的装置10。在本例中，在目标表面区域12内两个部分表 面8与待测定的边缘交界。

装置10具有一个摄像机13，优选一个矩阵一摄像机。此外，装置10还 包含一个照射装置14，其中有多个光源15。在这里所示的实施示例中光源 15围绕摄像机13的镜头16及其光轴17安置。光源17与光轴17之 间的距离可以同样大。

通过一个控制单元20既可以控制摄像机13也可以控制照射装置14。控 制单元20可以调节摄像机的设置，比如，焦点位置、曝光时间、光圈。此外， 控制单元20还可以控制照射装置14。它为当前的照射状态选择一个光源1 5或一组光源15，用于改变光照强度I并且在通过摄像机13拍摄图像时调 节光源15或光源组15的光照强度I。通过使用照射装置14的不同的光源 15或光源组15可以改变向目标表面区域12照射的照射方向L1，L2， 其中，也可以同时从多个不同的照射方向L1，L2照射目标表面区域12。 在实施示例中，照射方向L1，L2是通过在圆周方向围绕光轴17分布的光 源15或光源组15的位置而定。光线沿照射方向L1，L2落在所关注的目 标表面区域12上面。

为了改变照射方向L1，L2，作为对这里所述的实施示例的补充，也可以 选择相对于光轴17改变光源15的位置。例如，光源15可以可移动地围绕 光轴17布设。

下面借助图3～图9对按照本发明方法的实施示例进行说明，其中，计算目 标表面区域内的或目标表面区域上面的一个边缘11的长度和/或轮廓和/或 位置。

在一个第一方法步骤30中，通过控制单元20的控制拍摄至少一个分别包 含多个图像B的图像序列。对于包含多个图像B的第一个图像序列S1，使用 照射装置14的一个第一光源15或一个第一光源组15进行强度可变地照 射。从一个或多个不同的照射方向L1，L2照射目标表面区域12，借此给 定一个第一照射状态。为该第一个图像序列S1的每个被拍摄的图像B改变照 射到目标表面区域12上面的光线的强度I。为此，通过控制单元20相应地 控制设定的第一光源15或第一光源组15。例如，逐步地通过恒定的步距放 大或减弱强度I和为每一个强度值拍摄一个图像B。

拍摄第一个图像序列S1之后，必要时拍摄其它的图像序列S2～Sn。在 拍摄每个图像序列S1～Sn时都改变照射状态。在实施示例中，为此，为每个 图像序列S1～Sn使用照射装置14的另一个光源15或另一个光源组15 照射目标表向区域12。

作为优选的实施示例的选择，也可以使用一个移动光源15并且在不同的照 射状态下改变光源15的位置。

在一个或多个照射状态下可以用彩色的光线照射目标表面区域12。照射装 置14中至少有一个光源15可以发出彩色光线。也可以通过光源15的一部 分在全部的图像序列生成一个本底亮度，以便以本底亮度为基础通过强度可变 的光源15或强度可变的光源组15使亮度变化在不同的照射状态下与摄像机 13的工作点相匹配。

在所述实施示例中，拍摄期望数量的图像序列S1～Sn之后，在一个第二 方法步骤31中，借助一个图像序列S1～Sn的图像B局部地为每个象素点P 1～Pk确定由目标表面区域12反射的和被摄像机13接收的光量的变化曲 线V1～Vk。由此，与摄像机13的分辨率相对应，依据象素点P的数量，在 每个图像序列S2～Sn生成对应数量的与强度相关的变化曲线V1(I)～V k(I)。根据示例，根据强度通过摄像机13探测灰度值GW，致使为一个图 像序列S1～Sn的每个象素点P1～Pk确定一个与强度相关的灰度值变化曲 线V1(I)～Vk(I)。图8中显示的是示范性的与强度相关的灰度值变化 曲线V1(I)，V2(I)。根据光照强度I确定与强度相关的灰度值变化曲 线V1(I)～Vk(I)。

在确定像素P1～Pk的与强度相关的灰度值变化曲线V1(I)～Vk(I) 时，每次只使用一个图像B的灰度值GW，所述灰度值至少满足一个给定的选 择准则。其中，例如，可以分析与强度相关的灰度值变化曲线V1(I)～Vk (I)的增长和/或低于一个强度最小值I_min和/或高于一个强度最大值I_max的与强度相关的灰度值变化曲线V1(I)～Vk(I)的数值。在实施示例中， 作为选择准则，检查下述至少一个准则的正确性：

-低于光照强度最小值I_min的灰度值GW至多相当于一个最小灰度值G W_min；

-高于光照强度最大值I_max的灰度值GW至少相当于一个最大灰度值G W_max；

-在光照强度最小值I_min与光照强度最大值I_max之间，与强度相关的灰度 值变化曲线V1(I)～Vk(I)的增长大于零，尤其是，差不多是恒定地并 且优选处于一个给定的公差范围之内。

借助图8对选择标准进行说明。当第一个与强度相关的灰度值变化曲线V 1(I)满足选择标准时，如果在确定第二个灰度值变化V2(I)时使用该 图像序列S的全部图像B和该像素的全部可支配的灰度值GW，则在一个区域 A内的第二与强度相关的灰度值变化V2(I)产生一个负增长。在区域A内 这部分用虚线表示。如果使用的选择准则是，强度相关的灰度值变化V2(I) 在这个区域内必须呈现正的和基本上是恒定的增长，则不能满足该选择准则的 灰度值GW不予考虑。因此，产生用实线表示的第二与强度相关的灰度值变化 V2(I)。

对于每个像素P1～Pk，与强度相关的灰度值变化曲线V1(I)～Vk(I) 和尤其是其上升区域可以与摄像机13的工作点相匹配。为了改善这种匹配， 也可以改变本底亮度，例如，通过使照射装置14的光源15的一部分提供期 望的本底亮度。最小灰度值GW_min和/或最大灰度值GW_max可以通过本底亮度 移动。

作为选择或对实施示例的补充，在一个图像B的一个关联的图像部分21内 的局部的灰度值GW变化也可以作为选择准则。其中，在图像部分21内的局部 的灰度值变化可以与给定的极限值进行比较。也可以把不同图像B内的局部一 致的图像部分21的局部灰度值变化相互比较。其中按少数服从多数原则进行决 策。例如，假定，在一个图像序列S的多数图像B中，在对应地局部一致的图 像部分21内，局部的灰度值变化从左向右递增，见图3。如果现在有一个或多 个图像B，并且在其中不是上述情形，例如，由于图像部分21内的局部的灰度 值变化基本上是恒定的或者甚至是从左向右递减，则对于该图像部分21的像 素P而言，在确定与强度相关的灰度值变化V(I)时，在这些图像B内探测 的灰度值不予考虑。如果所观察的图像部分21内的局部的灰度值变化在一个 图像序列S的多数图像B中一致，则其因此被视作是正确的。与其有偏差的局 部的灰度值变化被视作是错误的。

例如，通过过度照射一个像素可能会造成在局部灰度值变化方面产生这种偏 差。在该像素，这会导致错误的灰度值。由于摄像机的串扰和点扩散函数，也 可以能波及全部直接相邻的像素。过度地照射像素PU可能是通过，例如，目 标表面区域12上面的加工痕迹引起。可以识别一个像素PU是否受到过度照 射。可以识别出，在受到过度照射的像素PU处，最小灰度值GW_min和/或最 大灰度值GW_max的数值大于在直接相邻的像素PN(图3)。如果在一个图像 部分21内识别到这种情况，对于该图像部分21的受到过度照射的像素PU以 及相邻的像素PN，在确定与强度相关的灰度值变化V(I)时，在该图像B 内探测的灰度值不予考虑。

在随后的第三方法步骤32中，对于每个像素P1～Pk，从与强度相关的 灰度值变化曲线V1(I)～Vk(I)中确定出对应的像素P1～Pk的反射 系数并从像素P1～Pk的反射系数中为每个图像序列S1～Sn确定出一个反 射图像R1～Rn，如图4所示。例如，相关像素P1～Pk的与强度相关的灰 度值变化曲线V1(I)～Vk(I)的增强或另一个体现与强度相关的灰度值 变化在其直线性增强区域内的特征的参数可以作为反射系数。

原则上也可以只生成一个图像序列S1和一个反射图像R1，然后从中确定 边缘的位置。但是，优选，拍摄多个图像序列S1～Sn，以便获得相应数量的 反射图像R1～Rn。

在一个第四方法步骤33中，单个的反射图像R1～Rn被连接成一个共同 的结果反射图像E。优选，这是通过加权相加反射图像R1～Rn完成。在图5 中示范性地显示了这种加权相加。单个的反射图像R1～Rn的加权因数W1～ Wn可以大于或等于零。如果其中一个加权因数W1～Wn等于零，则在确定结 果反射图像E时相关的反射图像不予考虑，如第三个反射图像R3的示例所示。 因为，例如，基于目标表面区域12的材料性能可能出现相反的反射系数，因 此这可能是必要的。在相加时，这些反射系数相互抵消或至少是削弱。为此， 对反射图像R1～Rn内与地点相关的反射系数进行比较和只有当反射图像R 1～Rn的与地点相关的反射系数在相加时是建设性地重叠时，在确定结果反射 图像E时才会对它们给与考虑。

借助图5中所示的示例可以对这种情况直观地进行的解释。除第三个反射图 像R3之外，在其余全部的反射图像R1，R2，R4～Rn中，反射系数从位 于边缘11左侧的部分区域18朝着位于边缘11右侧的部分区域18增强， 如右侧较亮的颜色部分所示。与此相反，在第三个反射图像R3中，反射系数 从左往右减弱。因此，在相加时，第三个反射图像R3与其它的反射图像是破 坏性地叠加。在本例中，出于这个理由在确定结果反射图像E时第三个反射图 像不予考虑和获得一个第三加权因数W3＝0。

在图6和图7中示范性地显示，中性的反射图像Ri，Rj不予考虑，因此 给它们分配一个加权因数Wi＝Wj＝0。在这里，中性可以理解为，反射系 数不会局部地发生变化或只是微不足道地变化，因此，从中不会导出用于确定 边缘11的增值。但是，借助这种中性的反射图像可以推导出，哪个光源15 或光源组15会导致这样一种局部中立的反射系数变化。这些光源15或光源 组15特别适合于改变测量环境的本底亮度。因此，较为适宜的是，把这种通 过用于改变强度的光源15或光源组15标记的照射状态标记为，对于当前的 目标或目标表面区域是中性的，并且该标记保存在控制单元20的一个存储器 内。当以后在同类的目标或目标表面区域测量边缘时可以使用该信息。

在图像平面的一个和/或两个方向内，可以根据地点确定反射系数变化梯度 并且与其它反射图像的与地点相关的反射系数变化梯度相比较。如果不同反射 图像R1～Rn的与地点相关的梯度差处于一个允许的公差范围之内，那么在确 定结果反射图像E时对这些反射图像给予考虑。如果一个反射图像R1～Rn的 与地点相关的反射系数变化中有一个或多个参数超过公差范围，则给该反射图 像R1～Rn分配一个加权因数W1～Wn＝0，致使在计算结果反射图像E时 对该反射图像不予考虑。

优选，按目标9或目标表面区域12的类型分配加权因数W1～Wn并保存。 当以后在同类的目标9或目标表面区域12光学测量边缘时可以使用已经保存 的数据。这样的话可以取消拍摄那些导致生成一个加权因数为Wi＝0((i＝ 1～n)的反射图像Ri(i＝1～n)的图像序列，从而可以缩短测量时间。 之后，借助保存的加权因数W1～Wn可以确定，可以选择哪些照射状态和可以 拍摄哪些序列的图像B。这种方法仿佛具有示教性。经过边缘测量的目标9或 目标表面区域12的类型越多，就会为将来的边缘测量提供越多的先验-知识。 替代加权因数W1～Wn也可以保存其它的代表某些照射状态的可应用性的数 据。

在一个第五方法步骤34中，对结果反射图像E进行分析。为此使用一个边 缘定位准则K，借助所述准则可以确定边缘11在结果反射图像E内的位置和 轮廓。优选，使用一个积分边缘定位准则作为边缘定位准则K。其中，沿可预 先给定的测量线确定和分析结果反射图像E内的与地点相关的反射系数变化的 积分。当然，作为选择和补充也可以使用其它的边缘定位准则，比如，一个微 分边缘定位准则。

本发明涉及一种通过光学扫描测定一个所关注的目标表面区域12内的或 目标表面区域12上的一个边缘的位置的方法。为此，对目标表面区域12的反 射系数进行分析。在不同的照射状态下，尤其是按不同的照射方向，光线被照 射到目标表面区域12并且在每个照射状态拍摄一个包含多个图像B的图像序 列S1～Sn。一个图像序列S1～Sn的每个图像B分别在不同的光照强度I 下被拍摄。从一个图像序列S1～Sn的大部分或全部的图像B中相应地生成一 个反射图像R1～Rn。随后，通过加权相加从大部分或全部的反射图像R1～ Rn像中生成结果反射图像E，在所述结果反射图像内，通过使用至少一个边 缘定位准则亚像素精确地确定所关注的目标表面区域12内的或目标表面区域 12上的一个边缘11的位置。

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