用于提高尺寸標注系統測量準確性的方法
【專利說明】用于提高尺寸標注系統測量準確性的方法
相關申請的交叉引用
[0001 ] 本申請要求針對System and Methods for Dimens1ning的美國專利申請序列號62/062,175(2014年10月10日提交)的權益，該申請全部內容通過弓I用合并于此。
技術領域
[0002]本發明涉及用于確定物體的物理尺寸的系統(S卩，尺寸標注系統)，并且，更特別地，涉及用于創建誤差模型并使用誤差模型來提高尺寸標注系統測量準確性的方法。
【背景技術】
[0003]作為物流過程(例如，運輸、貯存等)的部分，確定物品的尺寸通常是必要的。然而，以物理方式測量物體是耗時的且可能不會得到準確的測量值。例如，除了人為的誤差，當測量不規則形狀的物體或者在單個測量中組合了多個物體的時候，有可能產生測量誤差。因此，開發了非接觸尺寸標注系統，以使該測量自動化或協助該測量。這些尺寸標注系統在三維(3D)中感測物體的形狀/大小，并且然后使用該3D數據來計算物體尺寸(例如，長度、寬度、高度等)的估計值。
[0004]準確的尺寸標注是非常有價值的。例如，當尺寸標注用于商業交易(例如，確定運輸成本)的時候，管理認證通常要求非常準確的測量值。遺憾的是，由尺寸標注系統估計的尺寸中存在誤差。降低這些誤差的一種方式是:(i)限制被測量物體的大小/形狀；以及(ii)在測量設置上進行嚴格的要求。但是，這些約束會限制尺寸標注系統的靈活性以及可以進行測量的速度。因此，存在對降低與從尺寸標注系統返回的估計尺寸相關聯的誤差的方法的需要。

【發明內容】

[0005]因此，在一方面中，本發明包含一種用于從尺寸標注系統測量去除誤差的方法。首先，提供一種尺寸標注系統來執行在環境中物體的尺寸標注系統測量。該尺寸標注系統測量產生對應于物體/環境的三維(3D)數據。接下來，選擇要被估計的特定尺寸。然后，使用3D數據，創建該特定尺寸的中間估計值。此外，獲得關于尺寸標注系統測量的各方面的預測器變量值。為了從中間估計值去除誤差，該方法首先估計誤差并且然后去除所述誤差。
[0006]為創建特定尺寸的誤差估計值，該方法從誤差模型庫檢索出特定尺寸的誤差模型，該誤差模型把一個或多個預測器變量與估計誤差相關聯。然后，使用誤差模型以及所獲得的針對一個或多個預測器變量的值來計算特定尺寸的誤差估計值。
[0007]為了從尺寸標注系統測量去除誤差，該方法從特定尺寸的中間估計值減去該誤差估計值，以獲得該特定尺寸的最終估計值。
[0008]在該方法的一個示例性實施例中，所述預測器變量包括描述了尺寸標注系統的固有屬性的變量，例如尺寸標注系統的采集參數。
[0009]在該方法的另一示例性實施例中，所述預測器變量包括描述了物體固有屬性的變量，例如物體的大小、形狀、和/或外觀。
[0010]在該方法的另一示例性實施例中，所述預測器變量包括描述了環境固有屬性的變量，例如環境的亮度水平。
[0011]在該方法的另一示例性實施例中，所述預測器變量包括描述了尺寸標注系統測量的外在方面的變量，例如:(i)尺寸標注系統與物體，(ii)尺寸標注系統與環境，和/或(iii)物體與環境之間的物理關系。
[0012]在該方法的另一示例性實施例中，所述誤差模型包括把誤差估計值與一個或多個預測器變量相關聯的線性方程。
[0013]在該方法的另一示例性實施例中，所述誤差模型包括把誤差估計值與一個或多個預測器變量相關聯的非線性方程。
[0014]在該方法的另一示例性實施例中，(i)3D數據包括最小體積包圍盒(MVBB)，以及
(ii)所述特定尺寸是MVBB的長度、寬度、或高度。
[0015]在該方法的另一示例性實施例中，(i)3D數據包括具有長度、寬度、和高度的最小體積包圍盒(MVBB)，以及(ii)該方法估計及去除針對MVBB的每個特定尺寸(S卩，長度、寬度以及高度)的誤差。
[0016]在該方法的另一示例性實施例中，所述誤差模型庫包括誤差模型的各類別;其中，每個類別對應于:(i)特定的操作環境，和/或(ii)對應于物體的特征集。這種情形下，從庫中檢索誤差模型的該方法的步驟包括:從庫中選擇一類誤差模型，以及從所選擇的一類誤差模型中檢索特定尺寸的誤差模型。
[0017]在另一方面中，本發明包括用于創建所測量特征的誤差模型的方法。首先，提供尺寸標注系統以及具有帶有已知大小的特征的校準物體。接下來，使用尺寸標注系統收集所述特征的測量值。然后，通過將每個測量值與已知大小進行比較，來計算測量值的誤差(即，測量的誤差)。此外，對描述了測量的各方面的預測器變量進行定義，以及推導出把預測器變量與測量值的估計誤差相關聯的數學模型。該數學模型包括預測器變量以及預測器系數，其中，每個預測器變量對應于特定的預測器系數。接下來，通過調整預測器系數，數學模型被擬合到所測量誤差。然后，對數學模型進行細化以創建所測量特征的誤差模型。
[0018]在該方法的一個示例性實施例中，對所述誤差模型進行存儲以供未來使用。
[0019]在該方法的另一示例性實施例中，所述數學模型是預測器變量與預測器系數的線性組合，或者是使用預測器變量的非線性方程。
[0020]在該方法的另一示例性實施例中，所述預測器變量描述了測量值的各方面，包括尺寸標注系統、物體和/或環境的固有屬性。
[0021]在該方法的另一示例性實施例中，所述預測器變量描述了測量值的各方面，包括:(i)尺寸標注系統與物體，(ii)尺寸標注系統與環境，和/或(iii)物體與環境之間的物理關系O
[0022]在該方法的另一示例性實施例中，細化數學模型包括:去除不顯著的預測器變量以及其對應的預測器系數。
[0023]在該方法的另一示例性實施例中，將數學模型擬合到誤差包括線性回歸。
[0024]在該方法的另一示例性實施例中，細化所述數學模型包括:(i)通過將估計的誤差與誤差比較來獲得殘差；(ii)創建所述殘差的直方圖；以及(iii)基于該直方圖的正態性，放棄或接受該數學模型。
[0025]在另一示例性實施例中，所述特征是物體的長度、寬度或高度。
[0026]前述說明性的
【發明內容】
與本發明其它示例性的目的和/或優點，以及實現其的方法在下面的詳細描述及其附圖中被進一步解釋。
【附圖說明】
[0027]圖1示意性描繪了根據本發明實施例的示例性尺寸標注系統。
[0028]圖2以圖形方式圖示了根據本發明實施例的使用空間偏移圖案投影儀和距離攝像機(range camera)感測三個維度的原理。
[0029]圖3以圖形方式圖示了根據本發明實施例的用于尺寸標注系統測量的示例性預測器變量。
[0030]圖4以圖形方式描繪了一流程圖，該流程圖圖示根據本發明實施例的用于創建針對由尺寸標注系統測量的特征的誤差模型的方法。
[0031]圖5以圖形方式描繪了一流程圖，該流程圖圖示了根據本發明實施例的用于從尺寸標注系統測量中去除誤差的方法。
[0032]圖6以圖形方式描繪了根據本發明實施例的從誤差模型庫對誤差模型的檢索。
【具體實施方式】
[0033]本發明包含通過使用用于估計誤差的數學模型(S卩，誤差模型)來提高尺寸標注系統測量的準確性。創建該誤差模型，并且然后該誤差模型被用于創建與特定尺寸/測量值關聯的誤差估計值。然后，該誤差估計值可以從尺寸標注系統的估計值中去除，以便提高測量的準確性。使用誤差模型來校正尺寸標注中測量誤差的一些優勢有:(i)提高的測量準確性，(ii)提高的測量精確度(即，可再現性)，(iii)增加的靈活性(例如，測量更多樣的物體)，以及(iv)更容易/更快速的測量采集(如，設置)。
[0034]通常，尺寸標注系統感測物體來收集對應于該物體形狀/大小的3D數據，并且然后使用該3D數據來計算該物體的尺寸。一些情況下，3D數據用于創建最小包圍盒(MVBB)，最小包圍盒是包圍該物體(如，不規則形狀的物體)或物體集合(如，托板上的多個盒體)的盒體的計算機模型。在這些情況中，尺寸標注系統可返回該MVBB的尺寸。
[0035]可使用各種技術來有效地感測物體(如，結構化的光、超聲、X射線等)以及創建3D數據(如，渡越時間、三角測量等)。所有的這些技術都在本發明的范圍內；然而，將描述與該公開的方法相關的一個示例性實施例(即，結構化光圖案的三角測量)。
[0036]示例性的尺寸標注系統通過把一光圖案(S卩，圖案)投射到視場中來感測物體。在視場中的物體會使得被反射的光圖案的外觀畸變。尺寸標注系統捕獲該反射的光圖案的圖像，并且分析捕獲的圖像中的圖案畸變，以計算估計物體尺寸所必需的3D數據。
[0037]圖1中示出了尺寸標注系統的方框圖。該尺寸標注系統10包括圖案投影儀I，其配置為把一光(如，紅外光)圖案投射到視場2中。所述光圖案通常包括以一種圖案(S卩，點云)布置的光點。該光點可以:(i)具有相同或不同的大小，以及(ii)可按照某一次序或偽隨機地布置。圖案投影儀可以使用光源(如，激光、LED等)、圖案產生器(如，蒙片(mask)、衍射光學元件等)以及一個或多個透鏡來創建光圖案。
[0038]尺寸標注系統10還包括距離攝像機3，其配置為捕獲所投射的光圖案的圖像，該光圖案從距離攝像機的視場4被反射。距離攝像機的視場4以及圖案投影儀的視場2應當重疊，但可以不一定具有相同的形狀/大小。距離攝像機3包括一個或多個透鏡，用于把視場4的真實圖像形成到圖像傳感器上。也可以使用光濾波(如，紅外濾波器)，通過去除雜散光和/或背景光來幫助對反射圖案進行檢測。圖像傳感器(如，CMOS傳感器、CCD傳感器等)用來創建光圖案的數字圖像。所述距離攝像機也可包括必要的處理(如，DSP、FPGA、ASIC等)以便從光圖案圖像獲得3D數據。
[0039]如圖2中所示，圖案投影儀I以及距離攝像機3在空間上偏移(如，以立體觀測方式布置)。該空間偏移8(即，基線)允許物體6的距離改變5作為距離攝像機圖像傳感器上的圖像偏移7而被檢測到。可以對空間偏移8進行調整以改變圖像偏移7，從而改變距離差5可以被檢測到的分辨率。以這種方式，點云圖案的圖像偏移可以被轉換成尺寸標注系統的視場內的物體的3D數據。
[0040]準確的尺寸標注需要:(i)該感測獲得充足的、高質量的3D數據，以及(ii)該尺寸標注系統的算法能夠將3D數據轉換為物體尺寸的精確估計值。該準確性可能受到很多不同變量的影響。所述變量(即，預測器變量)可以被分類為兩個種類:固有的以及外在的。圖3以圖形方式圖示了根據本發明實施例的用于尺寸標注系統測量的示例性預測器變量。
[0041]固有變量描述與尺寸標注系統測量中的特定元件的必要性質、構成或操作有關的屬性。特定元件可以是尺寸標注系統、物體或物體所在的環境(即，環境)。此外，特定元件可包括處于尺寸系統內的子系統，例如，距離攝像機3或者圖案投影儀I。
[0042]與物體有關的固有變量可以描述物體的形狀或外觀。例如，物體可以根據形狀(如，盒體、圓柱體等)被分類，并且形狀的分類可以是固有變量11。該物體可以具有不平坦(如，彎曲)的側面，并且該物體的平均曲率可以是固有變量12。其他的物體固有變量包括(但不限于)估計的高度13、估計的長度14、估計的寬度15、平均色(如，紅、綠、藍)以及反射率。
[0043]與尺寸標注系統有關的固有變量可以包括(但不限于)所述基線(S卩，在距離攝像機與圖案投影儀之間的空間偏移)。
[0044]與距離攝像機有關的固有變量可以包括(但不限于)焦距(S卩，距離攝像機的透鏡的焦距)、透鏡畸變、圖像的光學中心(即，距離攝像機的光軸與距離攝像機的圖像傳感器的相交叉處)、物體在圖像傳感器上的取向、距離攝像機的圖像高度/寬度、以及每幀所檢測到的圖案點的最大數量。
[0045]與圖案投影儀有關的固有變量可以包括(但不限于)圖案密度、投射的發散角、以及圖案類型。
[0046]與環境有關的固有變量可以包括(但不限于)環境光的水平和/或地平面的屬性。所述地平面(即，地面)是環境中的表面，在測量期間物體放置于該表面。所述地面通常填充了尺寸標注系統的視場的大部分，并且用作可獲得特定尺寸的基線。例如，物體表面到地面的數學投影可幫助確定一個或多個尺寸。所以，與地面有關的固有變量通常被限定并且可以包括(但不限于)地面的反射率以及地面的面積。
[0047]外在變量是影響尺寸標注系統測量的外部因素。例如，外在變量可以描述:(i)尺寸標注系統與物體之間，(ii)尺寸標注系統與環境之間，或者(iii)物體與環境之間的物理關系。外在變量還可以描述物體如何與由尺寸標注系統所投射的圖案相交叉。此外，外在變量可描述尺寸標注系統相對于地面16的位置(如，俯仰、滾轉、高度)。如圖3中所示，其他外在變量包括(但不限于)尺寸標注系統的高度17、物體的重心(S卩，C0G)18、尺寸標注系統與物體之間的最小距離19、以及尺寸標注系統與物體之間的最大距離20。
[0048]可利用尺寸標注系統測量任意形狀的物體(如，具有半徑或曲率的物體)。盡管這些測量值可以包括彎曲的或不規則的表面的尺寸(如，半徑、曲率等)，但典型的測量包括對包圍物體的計算機生成的盒體(即，MVBB)的三維(S卩，長度、寬度、高度)進行估計。例如，當測量盒體(如，包裹)時，MVBB的邊緣與盒體的邊緣重合