专利名称：图像信息的生成方法
技术领域：
本发明涉及采用扫描装置从被扫描的目标物上生成图像信息的方法， 其中，被扫描的目标物可包括一个或多个表面、 一个或多个主体和/或一空间， 其中扫描装置或者至少部分扫描装置或者目标物本身在扫描过程中被移动，并 且被扫描的目标物通过扫描装置在扫描层区域进行扫描。
背景技术：
在许多的数字处理区，必须在开始时解压縮从实体目标物上得到的图 象信息。为此，目标物是通过合适的扫描装置进行扫描并以适合于数字计算机
的形式存在。例如，在三维动画中、在CAD系统中或用于测量目的时需要这种 图像信息。另一方面，通过二维信息(颜色)与三维信息(形状)的结合，可 生成二维图形，不能用肉眼将其与原始的三维图像进行区分，或者至少乍一看 是无法进行区分的。
为此，通过多种方法来扫描包括一个或多个表面、 一个或多个主体和/ 或一空间的被扫描的目标物。最简单的系统是采用光敏元件，该光敏元件检测 发光体反射的光并从此生成亮度值和/或颜色值。二维图像信息可基于此通过 简单的方式得到。此外，业已知道多种用于生成二维图像信息的复杂系统。摄
像系统可以仅作为一个参考。
图像通过三角测量方法组合成三维信息的几种摄像机可用于生成三维 图像信息。其它的方法是使用激光束，其照射到被扫描的目标物上并由目标物 反射。通过测量激光束的行程时间，可得出的结论是关于照明点与扫描头的距 离以及由此得出的三维图像信息。此外，还使用了共焦系统，其中，光束聚焦 在被扫描的表面上。如果由于表面外形发生变化而焦点不再位于被扫描的表面 上，光束将通过自动聚焦电路再聚焦。通过这种方式也能得到三维图像信息。 而且，业已知道实践中的许多其它能得到二维或三维图像信息的方法。
在几乎所有的扫描方法中，扫描装置或至少部分的扫描装置或目标物本身被移动。因此，被扫描的目标物能更好地、更精确地被扫描。这样就避免 了因不同区域中所使用的光学系统的不精确成像或因从不同的空间角扫描表 面所引起的失真。这样，扫描装置主要沿着平面、柱面、球面或其它几何形状 移动。
由于其它因素所引致的失真，故所有已知的扫描方法的共同特征在于 扫描目标物的光路必须垂直于扫描层对准。首先，实现对准要求目标物的定位 和排列要相当准确。其次，扫描装置的移动平面必须很精确地调整到扫描层的 位置。然而，正是这个原因，目标物的定位和对准以及扫描装置的控制是绝对 需要的。

发明内容
本发明根本的任务是配置和改善提到的这类方法，以致于有可能用所 使用装置的同时，最简单可能的操作性以最简单方式生成可能的高精度的图像 信息。本发明还实现了一种情形，其中得到了最可能的图像信息。具体而言， 这将会生成适合于尽可能逼真地以二维表示描绘回收图像信息的图像信息。
根据本发明，前述的任务是通过权利要求1的特征得到解决的。因此， 所提到的方法的特征在于，扫描目标物的光路以相对于扫描层任意角度定向和 /或相对于被扫描的目标物的任意位置选择扫描层。
在本发明的方法中， 一开始就会认为，脱离了从实践中所知的扫描程 序，基本上可不用目标物的精确定位或相对于目标物的位置来调整扫描装置的 移动。特别应该注意的是，不需要垂直于扫描层选择扫描目标物的扫描光路(观 察到的)。有可能相对于被扫描的目标物的表面对准光束，以致于相对于扫描 层具有任意的角度(高度角和锥形角)。出于这个原因，非常简单地避免了被
扫描的物体的精确定位，而且还优化了扫描结果。通过任意地选择扫描光路和 扫描层之间的角度，也有可能使扫描层处于相对于扫描装置移动的相对任意的 位置。扫描层的位置不再依赖于扫描装置的位置，以致于扫描光路必须调节到 垂直于扫描层。这还避免了这样一种情形，即必须对准扫描装置，以致于扫描 光路落在垂直于扫描层的目标物上。这样，扫描装置的移动就不受几何形状的 约束。因此，可以想到扫描过程与被扫描的目标物的定位无关。在扫描过程中， 扫描层可任意地受到影响。通过对目标物的倾斜扫描，图像信息的确会有失真。 然而，通过随后的通常是必须的图像处理过程，这些情况可被有效地消除或至
5少会很大程度地减少。具体地，通过二维描述的倾斜扫描，已经可以得到较逼 真的三维印像。
具体实施例方式
术语"目标物"在上下文中是指通常的几何三维结构。此处的目标物 可指一个或多个表面、 一个或多个主体和/或一空间。仅仅必需以可扫描的表 面结合目标物。这些表面可以是平的、弯曲的或以其它方式构成或配置的。
本发明的方法可相对二维图像信息记录三维颜色目标物结合起来使 用。这种二维记录产生涉及被扫描的目标物的颜色、色彩融合和颜色对比的信 息。为此，实践中所知的更大范围内的方法都是可以利用的。数字摄像机仅仅 是作为一个例子使用。重要的是，成像的颜色、色彩融合和颜色对比尽可能地
接近于原物。为此，颜色管理(如(ICC profiles)色彩特性描述文件)的使用 是必须的。然而，视应用而定，黑色/白色或半色调图像能足以作为二维图像
"(曰息。
在上下文中，需要指出的是本文的术语"颜色"应当作通常的理解。 具体地，黑色、白色和半色调都包含在术语"颜色"中。它们最终呈现出无颜 色饱和度的"褪化的"色彩。
本发明的方法还可以与目标物的三维扫描结合应用。三维扫描的目的 是获取关于目标物的立体形状或高度轮廓信息。为此，实践中所知的所有的目 标物的三维记录方法原则上都是可行的。然而，视所要求的应用区域而定，单 独的方法要比其它的方法更合适。例如，三角测量方法在目标物的高度范围较 快和较简单地生成信息，但是偶尔也会不合适，这是因为它们的分辨率受限制
以及需要适当且精确的摄像机定位。激光扫描的方法就没有这样的缺点，但因 为测量移动的时间，其仅能够提供限制了深度的分辨率。共焦测量系统也有它 的优势，但是，其仅仅具有受限制的测量范围，且相当慢，这取决于具体的实 施例。这种倾向性(仅作为例子且是不完整的)表明根据得到的三维图像信息 的要求，必须选择合适的扫描方法。
首先，可仅相对于二维或仅相对于三维信息扫描目标物。其次，可想 象对二维和三维扫描进行组合。最后，扫描是同时进行的或至少基本上是同时 进行的。为此，扫描装置将不得不具有两个合适的扫描头，其可相对于目标物 移动。 一方面，两个扫描头可以相互独立地进行扫描，在这种情况下，扫描最 好是在目标物上不同的位点。另一方面，两个扫描头可相互紧接设置，以致于它们通过合适的测量能扫描目标物的相邻的点或区域，或者甚至是相同的点或 区域。同时或基本上是同时地生成二维或三维图象信息的另一选择是连续地进 行二维或三维扫描。
在扫描二维或三维目标物中，扫描光路和扫描层之间的角度以及扫描 层的位置会受到某些限制。因此，可相对任意地选择扫描光路和扫描层之间的 角度，但总的来说，角度不能太小。角度越小，扫描层通常会越薄，以致于可 扫描的深度范围就非常受限。然而，本文中还可想象应用区域，该区域能取得 足够好的结果或者甚至用非常平的角度得到所要求的效果。 一些锥形角也比其 它的角更合适。当目标物或结构在目标物的表面上具有优选的方向时，就将会 是这样的情况，例如像木头纹理。
同样地，通常要选择扫描层的位置，以致于能足够地确保图象信息的 回收。因此，经常试着把扫描层设置成与目标物的表面一致或至少是设置成与 它平行。如果目标物的表面具有构造的平面或复杂的几何结构， 一般要选择扫 描层，以致于扫描层包含了被扫描的目标物的表面。再重复一遍，视应用场合 而定，其它的组合也是可行的。因此，可以期望在一个或多个区域通过倾斜的 扫描层形成模糊。
尽管能自由地选择扫描光路和扫描层之间的角度，但是在使用具有探 测器阵列或探测器组的扫描器的过程中，会形成部分地覆盖不在一个平面且相 对于扫描层倾斜的图像。因此，必须要补偿单独的部分图像，以致于他们能组 合成公用的图像。为此，可使用远心光学系统，在生成图像信息的过程中，它 已经补偿了由倾斜扫描所形成的失真。因此，等长长度以等长出现在单独的部 分图像上。然而，部分图像也可由随后的图像处理得到补偿。此外，实践中所 知的多种方法都是可行的。
在扫描过程中，扫描装置或者至少部分的扫描装置或者目标物本身被 移动。根据被扫描的目标物的类型，可以采用不同的方式移动。因此，扫描装 置可在平面上沿蜿蜒的路径被牵引移动，其中，扫描光路是远离所述的平面而 定向。然而，也可采用沿着球面或其它几何结构移动。因此，扫描装置最好是
在笛卡儿坐标系内作三维移动。具体地，可沿着自由移动的X、 Y、 Z轴移动。
为了实现单独的部分图像的最简单的组合， 一旦扫描层的位置以及扫 描光路和扫描层之间的角度受到限定，则使扫描装置移动过程中的这两个数值 保持恒定是有用的。因此，在组合部分图像的过程中，会有最低的要求。然而，
7这并不是绝对必须的。重复一遍，精确地实施这个效果的应用也是可行的。
在使用探测器阵列的过程中，由于扫描装置、部分扫描装置或目标物 本身的移动，生成了一些部分的图像。最好是对部分图像进行限定，以使他们
重叠。达到90%或更多的重叠是有用的。然而，在许多的应用中，50%-75%左右 的重叠就会得到较好的效果。
对于扫描过程来说，通常必须在扫描过程中通过有源和/或无源照明装 置把被扫描的目标物照亮。实践中所知的许多种装置都可用作照明装置。例如， 可使用半球形的或线性发射器。同时，照明装置也可由几个照明元件构成。例 如，可使用一排或一列LED (发光二极管)，其根据惠更斯原理形成具有复杂 几何形状的发射器。通过照明装置，可产生平行的光、来自所有的或一些空间 角的光、点状的照明光或者类似的光。
在移动扫描装置或者在移动扫描装置的移动部分的过程中，最好也移 动照明装置。这样，照明装置可与扫描装置连接。然而，在另一方面，有可能 是照明装置独立于扫描装置移动。这样，照明装置基本上能覆盖与扫描装置相 同的或至少是相似的路径。但是需要再重复一次，也有可能通过独立于扫描装 置的移动来实现特定的照明。
在移动照明装置的过程中，照明装置的照明强度和/或方向可以保持一 致。因此，被扫描的目标物应被特别均匀地照亮，以致于生成的图像在颜色、 色彩融合和颜色对比方面特别的逼真。例如，在许多具有很不相同的高度轮廓 的被扫描的目标物中，对被扫描的目标物的照明强度也可随相应位置而变作出 调整。在极端的情况下，只有个别的空间角能被照亮。这可根据惠更斯原理设 计的发射器以特别简单的方式实现。例如，如果单独部分的光源排列成半球形， 光线从球体的内部发出，通过精确的接通、断开或通常地影响单独的部分光源 的照明能量，可形成特定的照明空间方向。在所有情况下，照明可以是连续的 或脉冲的。
在具有所述的高度轮廓的目标物中， 一个扫描层不足以用来记录图像 信息，以致于可形成多层扫描层。每层扫描层中的目标物可以高度量化(高度 有许多变化)的方式被扫描。由于预期二维和三维扫描的图像都是绝对平行的， 故单独的图像通常是一致的。结果是，单独的二维与三维扫描，以及相对于多 个扫描层的扫描能够被一致地组合。这在倾斜扫描中具有特别的优势，由于在 使用探测器阵列的过程中，交错的部分图像正好可以一个到另一个的方式精确
8地结合。仅仅是作为失真结果的调整才是必须的。在单独的扫描层区域，可适 当地增加图像信息，尤其是在三维扫描中。
在沿着多层扫描层扫描目标物的过程中，扫描层可处于相互较任意的 状态。每一层不必要成平行。它们还可以以任意的形式并在任意的地点相交。 有利的是，尤其是因为沿着每一扫描层简单地组合图像信息，扫描层会相互平 行地排列。术语"平行"也可转用于包括以下的扫描层球面，部分的柱面、 椭圆体或类似形体。例如，在沿着球面的实施例中，每一扫描层可具有相同的 中心点并且仅仅是半径不相同。
关于最全面的可能覆盖，可以选择单独的扫描层，以致于相邻的扫描 层在高度方向上重叠。这确保了整个目标物能被扫描，且扫描的图像信息中没 有缺陷存在。如果进行可能最小的多重扫描，可选择扫描层，以致于相邻的扫 描层仅仅接触或者只在测量不准确时才允许相交。然而，作为一种变型或其它 形式，扫描层也可以直接地相互紧靠，即两个紧靠的扫描层可放置在一个平面 上。在每一层中，可采用不同的方式进行扫描，类似于采用不同的分辨率或不 同的扫描方法。
可以用不同的方式实现从一个扫描层中的扫描转移到其它的扫描层中 而进行扫描。首先，扫描装置可偏离相应的距离，以致于扫描装置的位置更靠 近或更远离目标物。其次，通过光学装置如附加的透镜或附加的透镜系统，可 以改变扫描装置的测量范围。实践中所知的所有方法都可用于改变测量的范 围。
为进一步减少扫描过程中的成本，扫描过程可包含在特定的扫描层中， 或仅当有需要时，包含在扫描层的特定区域内。这意味着，在扫描目标物的过 程中，如果扫描层在左边，即目标物的扫描点留在测量装置或区域的测量范围 内，其中，足够的纵深清晰度依然存在，扫描过程可以相邻的扫描层开始。如 果需要进一步减少这些要求，可以确定一个目标物包含部分相应的扫描层的一 个区域。 一方面，这可以通过确定一些区域来实现，其中，扫描层在左边。另 一方面，这些区域也可以用第一粗扫描方法建立在整个主体上或手动建立。然 后，可仅仅在这些区域内扫描扫描层。以这种方式可以连续地且以多层的方式 扫描目标物。
在目标物的三维与二维扫描中，可采用的是形成多层扫描层和控制扫 描方法。在相对于颜色记录目标物的过程中，会有目标物的点设在扫描器的纵
9深清晰度的范围之外的情况发生，纵深清晰度范围因而会增大。再重复一次，
前面提到的方法当然是可行的。如果仅仅是目标物的实际上延伸的扫描层区域
被扫描，可使用三维信息来控制扫描过程。然而，本文中也可以采用以粗扫描
来手动定义或建立被扫描的区域。
以这种方式生成的图像信息可经随后的图像处理进一步地得到补偿。
对于补偿，通常采用数字滤光器，其能补偿或减小失真。实践中所知的方法都
可用于此目的。然而，具体地，也可以釆用以下描述的方法，即使是以下部分
表明二维描述是结合滤光器生成的。滤光器也可单独地在二维和/或三维图像 乂^白6A宜t;山"Ah W —々仕主；出/(击m
二维表示适合于通过印刷装置输出图像信息，这种二维表示能通过以 该种方式回收的和在某些情况下处理的二维和三维图像信息中生成。二维图像 信息可与三维图像信息组合，以致于形成额外地改进的计算的表示形式的三维 印象。为此，可使用数字滤光器，其实现了在频率范围(例如FFT (快速傅里 叶变换)范围)内的补偿、失真、低通、带通、高通或无滤光，较佳的是在形 状的三维数据上实现。另一方面，三维信息可用于通过精确地变亮和变暗来计 算虚拟空间亮度。如果在不受颜色的影响下记录三维信息以及在不受形状影响 下记录二维信息，这样就容易得到三维印象。
例如，三维图像信息和二维图像信息的组合用于称之6-5扫描方法中。 在这种情况下，点的6个测量坐标(3X颜色加上x-、 y-和z-坐标)转换成5 个坐标(3X颜色加上x-和y-，无z-坐标)。高度信息基本上用亮度值来表示。
为了生成三维印象，可以采用不同的方式。首先，对于生理上调节高 度信息，可用不同的强度压縮完全不同的弧长。对于观察者而言，长弧比短弧 弯得更少。这种效果也能相应地得到补偿。为此，随局部频率而变来调整结构， 在这样的情况下，具有低通、带通或高通滤光的数字滤光器可用于此目的。然 而，补偿或失真滤光器可在整个频率范围(带FFT (快速傅里叶变换)的滤光 器)内使用。
其次，可以故意地实现非线性的失真。例如，通过使形状失真或根据 形状变化的失真，以改变二维表示的视觉印象。平的表面使圆形体或钝体变尖， 反之亦然。为此，可以使用实践中公知的三维化处理方法(shape-to-shade method)。不仅可以使用高度信息，而且还可以使用它的派生物。斜面和凸的 或者凹的表面都可用它得到。作为另一种方式，随形状和照度而变，可使虚拟目标物的颜色变暗或 变亮。通过这种方式可以形成虚拟空间照度，其生成自然空间照度。然而，空 间照度最好是能在电脑上任意地改变，并在多个照度方向、强度和加入的测试 图案或光源上任意地改变。这个目的不需要进行新的记录。
也可以使不同的高度图像或随高度而变的图象重叠。信息获得的方式 或图像信息怎样被过滤在此并非特别重要。
此外，高度信息可用于精确地控制正曲率或负曲率的表面形状。在掩 蔽的区域内，利用三维图像信息可使观察到的斜面受精密地影响。例如，可以 在含对称结构的结构表示中使用这个方法。通常，由于观察或光照的角度不同， 观察到的这种结构(如在木头中)呈现凸形或凹形。这可以通过结构对称的精 确失真得到抑制。
以上列出的是认为并不完整的可能的滤光，其表明了通过倾斜扫描回 收的信息是如何精确地受影响的。具体地，尽管从在任意角度下的扫描到扫描 层引起失真，但有可能实现所显示的二维表示的非常好的三维印象。
有利的是，现存在不同的可能性以配置和修正本发明的教导。 一方面， 从属于权利要求1的那些权利要求以及，另一方面，本发明的一些实际的实施 例的解释都可以认为是用于此目的。
本发明的方法可与纯的颜色图像扫描结合使用。在这种情况下，颜色 和形状同时通过共同的照明装置被记录。扫描层、空间照明角度和扫描光路的 角度(高度和锥形角)可相对于扫描层作任意的调整。照明体可包括有源或无 源发射体，且具有任意的形状，如半球形或平面形。然而，任意的发射体形状 也可以根据惠更斯原理构成小单元光源的附加体。光源在小的尺寸和空间内相 互相对地排列。照明装置与扫描装置相配置，并能发射连续的或脉冲的光。这 样一种扫描方法诸如可用于记录木质装饰，其特征是较快的扫描过程。
此外，目标物的纯三维记录也是可以的。以逐点或不断增加点数或多 点的方式扫描目标物。再重复一次，扫描光路的角度是相对于扫描层任意地定 向的。本发明的这个实施例可用来生成制作压花辊的数据。
二维和三维图像信息也可以分开进行记录(6-5扫描器)。通过扫描 头，可以记录颜色、色彩融合和颜色转换(即二维图像信息)，而其它的测量 头扫描目标物的形状-三维信息。可以以这种方式制定三维显示且较清晰地得 出二维表示的基础数据。
权利要求
1. 一种通过扫描装置从被扫描的目标物上生成图象信息的方法，其中，被扫描的目标物包括一个或多个表面、一个或多个主体和/或一空间，其中，扫描装置或至少部分扫描装置或目标物本身在扫描过程中被移动，且被扫描的目标物通过扫描装置在扫描层区域被扫描，其特征在于，扫描目标物的光路以相对于扫描层任意角度定向和/或以相对于被扫描的目标物的任意位置选择扫描层。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过扫描装置扫描的目标 物记录了二维图像信息，即颜色、色彩融合以及颜色对比。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过扫描装置扫描的 目标物记录了三维图象信息，即目标物的立体形状或高度轮廓。
4. 如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，可以二维和三维图像 信息同时地、基本上同时地或连续地进行扫描。
5. 如权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于，因扫描光路 和扫描层之间的任意角度所产生的失真可在扫描过程中和/或通过随后的图像 处理通过远心光学系统得到补偿。
6. 如权利要求1-5中任意一项所述的方法，其特征在于，因扫描光路 和扫描层之间的任意角度造成的局部图像会重叠。
7. 如权利要求1-6中任意一项所述的方法，其特征在于，在扫描过程 中，目标物用照明装置照明和/或照明装置与扫描装置或扫描装置的移动部分 一起移动。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，在移动过程中，照明装置 的照明强度和/或照明方向保持恒定或者调节成随照明装置相对于被扫描目标 物的相应位置而变。
9. 如权利要求1-8中任意一项所述的方法，其特征在于，目标物沿着 多个扫描层被扫描。
10. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，选择扫描层，以致于相邻 的扫描层相互重叠或紧靠。
11. 如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，控制扫描装置，以致于在区域内仅仅扫描扫描层中的目标物，其中扫描层由目标物穿过。
12. 如权利要求9-11中任意一项所述的方法，其特征在于，沿着单独的 扫描层扫描所得的信息与公用图像信息相结合。
13. 如权利要求1-12中任意一项所述的方法，其特征在于，由回收的二 维和三维图像信息计算二维表示。
14. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，在转变成二维表示中，使 三维图像信息与二维图像信息结合，以致于实现经计算的二维表示的三维印 象。
15. 如权利要求13或14所述的方法，其特征在于，使用滤光器计算二 维表示的正确的生理学图像。
16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，通过滤光器，尤其是用低 通、带通、高通或无滤光的滤光器来实现形状的补偿或失真。
17. 如权利要求13-16中任意一项所述的方法，其特征在于，根据三维 图象信息通过虚拟空间消除而使二维表示的颜色变亮或变暗。
全文摘要
本发明公开了一种通过扫描装置从被扫描的目标物上生成图像信息的方法，其中，被扫描的目标物包括一个或多个表面、一个或多个主体和/或一空间，其中扫描装置或至少部分的扫描装置或目标物本身在扫描过程中被移动，以及被扫描的目标物通过扫描装置在扫描层的区域内被扫描，且相对于最简单的扫描操作以这样一种方式配置，即扫描目标物的扫描光路以相对于扫描层任意角度定向和/或以相对于被扫描的目标物的任意位置选择扫描层。
文档编号G01B11/25GK101490502SQ200780027263
公开日2009年7月22日 申请日期2007年5月7日 优先权日2006年5月24日
发明者H·许默勒 申请人:维尔特格拉菲斯克博士技术有限两合公司