藉助彩色條帶圖案對檢測對象表面的深度確定的製作方法

2023-05-06 06:41:21

本發明涉及一種藉助顏色編碼的三角測量術對檢測對象表面進行深度確定的方法。

背景技術：

現有技術區別用於深度確定的主動式和被動式三角測量術。與被動式三角測量術相反，主動式三角測量術有使具有結構化的對象照明，其中對象照明的幾何特性是已知的。被動法使用典型地漫射的日光或大燈的光作為對象照明，其中至少兩個相機系統從不同視向分別採集檢測對象的一個圖像。在這裡決定性的是，在至少兩個採集的圖像中對應的圖像點是已知的。如果兩個圖像點表示檢測對象表面上的同一個點，則這兩個圖像點彼此對應。識別對應的圖像點稱作對應性問題。

在主動式三角測量術中，對應性問題減輕。在主動式三角測量術中，將圖案從規定和預知的空間方向投射在檢測對象表面上，並從一個與之不同的空間方向進行採集。由於檢測對象表面彎曲，採集到的圖案扭曲或變形。通過相應的算法可以根據扭曲或變形的圖案重建檢測對象的三維結構(深度確定)。

為了確定深度，要求在採集到的變形或扭曲的圖案中唯一性地識別出所投射的圖案中的獨特特徵。若沒有或僅不充分存在所述的唯一性，則會在檢測對象的重建的三維結構中形成缺陷。

為了改進，現有技術提出了一些編碼的或顏色編碼的三角測量術。優選的顏色編碼三角測量術的缺點是，通過吸收，在投射與採集的圖案之間存在色差，這又會造成缺陷並因此導致對應性問題。在評估採集的圖案時採用的相應地適配過的算法試圖藉助平滑算法對所提及的缺陷進行插值和/或修復。但按現有技術這不是很成功。

尤其在對顏色的吸收很不同的表面中，例如有機組織，典型地只有少量的被採集圖案的圖像點可用，所以在外科術中使用顏色編碼三角測量術加劇了對應性問題。

技術實現要素：

因此本發明的目的在於，改進顏色編碼的三角測量術。

此目的通過具有獨立權利要求1的特徵的方法以及通過具有獨立權利要求15的特徵的設備達到。在從屬權利要求中說明本發明有利的設計和進一步發展。

按本發明建議一種對檢測對象表面進行深度確定的方法，其中，將由彩色條帶序列構成的彩色條帶圖案投射在檢測對象表面上，其中，採集並藉助評估設備評估從檢測對象表面反射的條帶圖案，其中，將彩色條帶圖案和評估設備設計為，能藉助所反射的條帶圖案的彩色條帶序列以及藉助所反射的條帶圖案的條帶寬度序列，實現檢測對象表面的深度確定。

按本發明，檢測對象表面的深度確定是藉助所反射的條帶圖案的彩色條帶序列以及藉助所反射的條帶圖案的條帶寬度序列實現的。換句話說，彩色條帶序列構成顏色編碼，以及所反射的條帶圖案條的帶寬度序列構成寬度編碼。在這裡，評估設備設計用於評估顏色編碼和寬度編碼。

存在的寬度編碼可有利地改善對應性問題。對應性問題所描述的問題是，為了建立作為三角測量術基礎的三角關係，必須能將投射的彩色條帶圖案的一個圖像點與採集的反射條帶圖案的一個圖像點識別為同一個圖像點。

按本發明，為了解決或改善對應性問題，投射的彩色條帶圖案包括至少兩種編碼，亦即一種顏色編碼和一種寬度編碼。由此改善對應圖像點的可識別性。有利地，通過由此達到的對對應性問題的改善，減少了在被採集和評估的反射條帶圖案中的缺陷數量，從而改進檢測對象表面的深度確定。

按本發明用於檢測對象表面深度確定的設備，包括：投射設備，它設計用於將彩色條帶圖案投射在檢測對象表面上；採集設備，它設計用於採集從檢測對象表面反射的條帶圖案；以及評估設備，它設計用於藉助所反射的條帶圖案的彩色條帶序列以及藉助所反射的條帶圖案的條帶寬度序列，進行檢測對象表面的深度確定。

按本發明，評估設備設計用於評估顏色編碼(亦即所反射的條帶圖案的彩色條帶序列)以及寬度編碼(亦即所反射的條帶圖案的條帶寬度序列)。其給出了與已提及的按本發明的方法同種和等效的優點。

按本發明一種有利的設計，使用一種彩色條帶圖案，它由原色紅色、綠色和藍色和/或它們的混合色和/或黑色構成。

由此有利地為顏色編碼三角測量術提供八種顏色，亦即紅色、綠色、藍色、黃色、品紅色、青藍色、黑色和白色。通過有利地使用這八種顏色，進一步化解對應性問題，並由此改進深度確定。在這裡黃色通過混合紅色和綠色產生，品紅色通過混合藍色和紅色產生，青藍色通過混合藍色和綠色產生，以及白色通過混合紅色、綠色和藍色產生。沒有顏色存在則成為黑色。顏色的混合下面理解為原色紅色、綠色和藍色的相加性混色。

通過有利地使用至少八種顏色，提供一種顏色編碼的三角測量術，它有簡單的結構並能在檢測對象即使運動時也實施深度確定。尤其在微創外科術中使用時，這種以提及的八種顏色為基礎的顏色編碼三角測量術是有利的。

按本發明一種有利的設計，以下述方式構成彩色條帶圖案，亦即在去掉至少一種原色時得到所反射的條帶圖案的條帶寬度序列。

在這裡，去掉至少一種原色，指的是從彩色條帶圖案消除該原色。例如原色的消除可能源自由於在檢測對象表面反射而形成的顏色缺陷。若彩色條帶圖案的一個條帶由消除的原色組成，則這一條帶由於原色被消除而轉變為黑色。若條帶的顏色是一種混合色，則在消除一種原色的情況下，該條帶的顏色轉變為一種原色或一種由未消除的原色構成的混合色。例如從品紅色通過消除原色藍色成為紅色，或從黃色通過消除原色綠色成為紅色，而從青藍色通過消除原色藍色和綠色便成為黑色。

通過從投射的彩色圖案和/或採集的反射圖案的顏色編碼中去掉至少一種原色，有利地構成一種寬度編碼。若從三種原色中消除兩種，則得到一種單色的寬度編碼，它例如只包括不同寬度的紅色和黑色條帶。

按本發明藉助規定用於評估寬度編碼的評估設備，將從反射條帶圖案的條帶序列通過去掉至少一種原色得到的寬度編碼使用於深度確定。

按本發明一種優選的設計，由預知的所反射的條帶圖案的條帶寬度序列以下述方式推導出彩色條帶圖案的彩色條帶序列，亦即在從彩色條帶圖案去掉至少一種原色時得到該預知的條帶寬度序列。

換句話說，首先確定寬度編碼。在這裡寬度編碼可以隨機生成。接著根據預知和確定的寬度編碼決定顏色編碼，其中，通過去掉顏色編碼的至少一種原色得到預知的寬度編碼。藉助校準裝置可以使評估設備與寬度和/或顏色編碼互相調諧。

按本發明一種特別優選的設計，在所反射的條帶圖案中去掉至少一種原色是通過吸收該原色實現的。

換句話說，所述至少一種原色，尤其至少兩種原色由檢測對象吸收。例如血液吸收原色綠色和藍色。由於吸收原色綠色和藍色，在所反射的條帶圖案中它們轉變成黑色。因此通過吸收原色藍色和綠色，所有不含紅色地構成的顏色(原色和混合色)均轉變為黑色，而所有含有原色紅色的顏色均轉變為紅色。由此得到一種具有不同寬度的紅色和黑色的條帶序列，它們構成用於深度確定的編碼。

按本發明一種有利的設計，由被採集的反射條帶圖案的第一和第二分區實現深度確定，其中，在第一分區中藉助彩色條帶序列實現深度確定，而在第二分區中藉助反射條帶圖案的條帶寬度序列實現深度確定。

換句話說，在第一分區藉助顏色編碼以及在第二分區藉助寬度編碼實現深度確定。這樣做有優點，因為例如在構成檢測對象第二分區的那個被重度吸收的分區中，可以藉助寬度編碼實現重度吸收分區(第二分區)的深度確定。在這裡，重度吸收的分區可認為是檢測對象表面的一個吸收到如此程度的分區，亦即在分區內存在的條帶顏色不能或難以實現或確定。

通常藉助顏色編碼實施深度確定是有利的，因為與藉助寬度編碼進行深度確定相比，顏色編碼的三角測量術能達到更高的解析度。然而若例如由於吸收顏色編碼的原色，使得在第二分區內僅不足夠地存在提及的顏色編碼，則可以有利地在第二分區內通過寬度編碼實現即使存在較低解析度的深度確定。換句話說，在檢測對象的第二分區內所使用的編碼從顏色編碼轉換為寬度編碼，其中，寬度編碼隱藏在投射的彩色條帶圖案顏色編碼中。

可以通過閥值確定在第二分區中寬度編碼的使用。

例如根據噪聲閾值確定寬度編碼的使用。若識別反射條帶圖案的各種顏色時噪聲並因而誤差超過提及的噪聲閾值，則在第二分區內藉助寬度編碼進行深度確定。在檢測對象表面其餘分區(第一分區)內藉助顏色編碼實施深度確定，因為在列舉的第一分區內噪聲低於噪聲閾值。在這裡，評估設備採集和得知噪聲閾值，並在寬度編碼與顏色編碼之間自動轉換。因此可以通過使用隱藏在顏色編碼中的寬度編碼，避免在第二分區內由於噪聲而存在缺陷。由此改善檢測對象表面的深度確定。

按本發明一種優選的設計，將白光投射在檢測對象表面並採集白光從檢測對象反射的圖像，其中，通過比較白光的反射圖像與反射條帶圖案確定閾值。

換句話說，藉助白光反射的圖像能實現色平衡。在這裡，對於檢測對象表面的每一個分區，通過對於反射條帶圖案的顏色求出相對於投射的彩色條帶圖案的閾值或比例，可以決定在觀察的分區內是否將顏色編碼和/或寬度編碼使用於深度確定。

優選地，藉助三晶片照相機採集反射的條帶圖案。

有利地，藉助三晶片照相機逐個採集反射條帶圖案的原色紅色、綠色和藍色。規定並行、尤其同時評估原色。

特別優選的是，反射條帶圖案的條帶寬度序列(寬度編碼)由三晶片照相機中單個晶片的信號獲得。

由此有利地可同時和並行地評估並採集顏色編碼及寬度編碼。

若寬度編碼藉助一種原色例如紅色與黑色構成，則寬度編碼由設計用於採集紅色的晶片的信號獲得。在這裡缺失紅色便成為黑色，其中，缺失紅色又能通過閾值確定。

按本發明一種有利的設計，所述彩色條帶圖案藉助幻燈片(Dias)造成。

換句話說，投射設備設計為幻燈機。可以採用其他投射設備，例如包括衍射光學元件(縮寫DOE)的投影儀(DOE投影儀)。

按本發明一種優選的設計，彩色條帶圖案的彩色條帶序列隨機生成。

彩色條帶圖案的條帶序列的隨機生成，使顏色編碼簡單而節省資源地生成。在這裡應確保，隨機生成的顏色編碼在其生成後被檢驗多義性。若存在這種多義性，則例如能重新進行隨機生成顏色編碼。這重複進行，直到顏色編碼不存在多義性為止。在這裡寬度編碼也隨機生成，從而也要對寬度編碼檢驗多義性。

按本發明的一種設計，檢測對象被一種複合的液體，尤其血液包圍。

血液幾乎完全吸收投射的彩色條帶圖案的原色綠色和藍色。換句話說，波長短於600nm的光幾乎完全被血液吸收。由此本發明特別優先用於被血液包圍的檢測對象，例如有機組織。因此尤其在微創外科術中本發明具有優越性。

附圖說明

由下面說明的實施例並藉助附圖可知本發明的其他優點、特徵和詳情。附圖中：

圖1表示包括三種顏色的彩色條帶序列和由彩色條帶序列形成的條帶寬度序列；

圖2表示包括八種顏色的彩色條帶序列和由彩色條帶序列形成的條帶寬度序列；

圖3表示檢測對象的第一和第二分區；以及

圖4示意表示對檢測對象表面進行深度確定的方法的流程圖。

在附圖中同樣的元件可以採用同一種標記。一般而言，在附圖中將顏色表示為陰影線，其中每一種陰影線代表一種顏色。

具體實施方式

圖1表示彩色條帶8的順序，它構成一種顏色編碼4。在這裡，顏色編碼4藉助三種原色構成，亦即紅色11、綠色12和藍色13。通過例如通過吸收去掉40綠色12和藍色13，顏色編碼4轉變為條帶寬度序列，它構成一種寬度編碼5。寬度編碼5在這裡包括紅色11和黑色32，其中黑色32表明空缺顏色。空缺顏色例如通過去掉40或吸收這種顏色實現。圖中沒有表示的評估設備設計用於評估顏色編碼4和寬度編碼5。

在圖2中表示由彩色條帶序列8(顏色編碼4)形成條帶寬度序列(寬度編碼5)。在這裡，顏色編碼4的一個條帶8的顏色由三種原色1、2、3構成。使用紅色11、綠色12和藍色13作為原色1、2、3。由此得到混合色黃色22、品紅色21、青藍色23和白色31。黑色32表明缺失或不存在顏色。黃色22通過累加紅色11和綠色12得到的混合色造成，品紅色21通過累加紅色11和藍色13得到的混合色造成，而青藍色23則通過累加綠色12和藍色13得到的混合色造成。

通過從顏色編碼4去掉40或消除40原色綠色12和藍色13形成寬度編碼5。因此寬度編碼5包括兩種顏色紅色11和黑色32，從而存在單色的寬度編碼5。去掉40原色綠色12和藍色13，通過在例如圖中沒有表示的血液處的吸收40實現。換句話說，顏色編碼4通過吸收原色綠色12和藍色13轉變為寬度編碼5，它可以由圖中沒有表示的評估設備評估。

在光學中，紅色11的特徵在於佔優勢的光譜區在600nm以上，綠色12的特徵在於佔優勢的光譜範圍從520nm至565nm，以及藍色13的特徵在於佔優勢的光譜範圍從460nm至480nm。混合色黃色22、品紅色21、青藍色23和白色31通過累加原色紅色11、綠色12和藍色13得到的混合色造成。

圖3表示檢測對象表面的第一和第二分區16、18，其中，所述表面包括檢測對象全部表面的至少一部分。在這裡，在檢測對象表面投射彩色條帶圖案並採集反射的條帶圖案7。反射條帶圖案7的條帶8分別有八種顏色之一，亦即紅色11、綠色12、藍色13、品紅色21、黃色22、青藍色23、白色31或黑色32。

檢測對象表面的第二分區18被血液42覆蓋。由此第二分區18幾乎完全吸收40原色綠色12和藍色13。

由圖3可以看出，通過吸收綠色12、藍色13和青藍色23轉變為黑色32。品紅色21、黃色22和白色31轉變為紅色11。紅的條帶在反射後主要包含紅色11。

通過吸收引起的去掉40在第二分區18中的綠色12、藍色13和青藍色23構成一種寬度編碼5，它被用於檢測對象表面在第二分區18中的深度確定。在重度吸收的第二分區18外部，亦即在這裡僅輕度吸收的第一分區16中，藉助顏色編碼4實施檢測對象表面的深度確定。由此，通過在第二分區18中評估寬度編碼5，推斷出在在顏色編碼4中通過第二分區18形成的缺陷，從而能夠幾乎無縫和單義性地實現檢測對象表面的深度確定。

圖4示意表示對檢測對象的表面進行深度確定的方法的流程圖。

在第一步S1，由彩色條帶序列構成一種彩色條帶圖案。在這裡，彩色條帶圖案的彩色條帶序列可以隨機生成。

在第二步S2，構成的彩色條帶圖案藉助投射設備投射在檢測對象表面。尤其採用被血液包圍的有機組織作為檢測對象。

在第三步S3，採集從檢測對象表面反射的條帶圖案。例如藉助照相機，尤其藉助三晶片照相機進行採集。

在第四步S4，藉助評估設備進行深度確定，在這裡深度確定通過評估顏色編碼S41和通過評估寬度編碼S45完成。

由此能夠有利地實現一種顏色編碼的三角測量術，它協同組合顏色編碼與寬度編碼，由此在吸收性的檢測對象的情況下，改進了檢測對象表面的深度確定。所說明的本發明尤其在微創外科術中，例如在內窺鏡檢查中使用時具有優勢。

儘管通過優選的實施例詳細圖示並說明了本發明，但本發明不受公開示例的限制，以及本領域技術人員可由此導出其他改型，並不脫離本發明的保護範圍。