一種基于三波長條紋投影的快速三維測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開的一種基于三波長條紋投影的快速三維測量系統(tǒng)，包括計算機、工業(yè)相機和投影機，當(dāng)接收到投影圖像的命令時，首先主控制器從存儲模塊中加載所需要投影圖像，然后微鏡陣列模塊根據(jù)接收到的圖像數(shù)據(jù)控制每個像素所對應(yīng)的每個微鏡的開關(guān)頻率從而實現(xiàn)投影，在投影機每投影一幅圖像的同時，主控制器使觸發(fā)器輸出觸發(fā)信號給工業(yè)相機，工業(yè)相機接收到觸發(fā)信號時即時采集一幅圖片，有效減少采集時間，實現(xiàn)了工業(yè)相機和投影機的同步這一關(guān)鍵，通過對硬件的自動控制，實現(xiàn)對整套系統(tǒng)的自動標定及對待測物體的自動快速重構(gòu)，使三維測量更高效、更精準。
【專利說明】
一種基于三波長條紋投影的快速三維測量系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及三維測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于三波長條紋投影的快速三維測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]三維形貌測量是使用電子儀器獲取被測物體表面三維形貌信息的技術(shù)。隨著現(xiàn)代科學(xué)研究的深入和工業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高，人們對于物體三維形貌準確測量的需求日益強烈，而基于數(shù)字條紋投影的三維形貌測量技術(shù)作為新一代非接觸式三維形貌測量，相比較傳統(tǒng)方法有著諸如非接觸無損耗、操作和實現(xiàn)簡單、實時、成本低廉等優(yōu)勢，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動檢測、逆向設(shè)計、生物醫(yī)學(xué)、文物復(fù)制、特征識別等眾多領(lǐng)域。
[0003]傳統(tǒng)的基于數(shù)字條紋投影的三維形貌測量系統(tǒng)通常是先設(shè)計一組數(shù)字條紋圖像通過投影儀先后投射到參考平面和待測物體表面，并用照相機拍攝下來。由于參考平面表面形貌沒有任何起伏，所以相機拍攝到的經(jīng)參考平面直接反射的是沒有任何形變的條紋，稱為參考條紋。但經(jīng)待測物體表面反射的條紋發(fā)生了形變，顯然這種變形條紋攜帶了物體表面形貌的三維信息，基于數(shù)字條紋投影的三維形貌測量即是通過對這種變形條紋和參考條紋的對比分析提取出物體表面的三維形貌信息的。
[0004]傳統(tǒng)的基于數(shù)字條紋投影的三維形貌測量系統(tǒng)存在可操作性差，對硬件設(shè)備的位置約束過強，且需要應(yīng)用參考平面等問題，于是S.Zhang和P.huang提出一種新的系統(tǒng)模型(S.Zhang, P.Huang.Novel method for structured light system calibrat1n.0ptics Engineering, 2006, 45(8):8360-8368.)，通過建立照相機圖像和投影機圖像的對應(yīng)關(guān)系，使得投影機可以像照相機一樣拍攝圖像，即變成一個逆向相機，從而將投影機的參數(shù)標定轉(zhuǎn)化為成熟的照相機參數(shù)標定，進而將整個三維形貌測量系統(tǒng)的標定演變成為成熟的雙目視覺系統(tǒng)的標定。
[0005]作為基于多幅不同頻率相位圖進行展開的時間相位展開技術(shù)，為了提高測量效率，希望需要的相位圖盡可能的少，兩副自然是最佳選擇。Hunt I ey和Sal dner提出時間相位展開算法為了對歸一化頻率為s的投影條紋進行相位展開，一共需要log2(s)+l個頻率的投影條紋，其所需要獲取的圖像仍然過多。鑒于此，減少實驗條紋圖片的數(shù)目在諸如動態(tài)場景的三維重構(gòu)和實時的三維數(shù)據(jù)獲取等很多應(yīng)用場合都是非常有意義的。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供的一種基于三波長條紋投影的快速三維測量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)標定過程自動化，更高效、更精準。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型所采用的技術(shù)方案是:
[0008]一種基于三波長條紋投影的快速三維測量系統(tǒng)，包括計算機、工業(yè)相機和投影機，工業(yè)相機包括微控制器、FPGA芯片、傳感器、圖像緩沖器以及以太網(wǎng)控制器，所述微控制器分別連接傳感器、FPGA芯片和以太網(wǎng)控制器，工業(yè)相機通過以太網(wǎng)控制器與計算機連接通信，所述微控制器控制傳感器進行曝光，所述傳感器采集到的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA芯片保存到圖像緩沖器中，圖像緩沖器中的圖片數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA芯片和以太網(wǎng)控制器傳輸?shù)接嬎銠C中；
[0009]投影機包括主控制器、微鏡陣列模塊、LED驅(qū)動模塊、觸發(fā)器、接口模塊以及存儲模塊，所述主控制器分別連接微鏡陣列模塊、LED驅(qū)動模塊和存儲模塊，所述主控制器通過接口模塊與計算機連接，所述投影機每投影一幅圖像的同時，所述主控制器通過觸發(fā)器輸出觸發(fā)信號給工業(yè)相機。
[0010]計算機預(yù)先設(shè)計的待投影條紋圖通過投影機的接口模塊，經(jīng)主控制器保存到存儲模塊中。當(dāng)接收到投影圖像的命令時，首先主控制器從存儲模塊中加載所需要投影圖像，然后微鏡陣列模塊根據(jù)接收到的圖像數(shù)據(jù)控制每個像素所對應(yīng)的每個微鏡的開關(guān)頻率從而實現(xiàn)投影，其投影原理是主控制器通過LED驅(qū)動模塊控制LED的亮度，LED燈光透過微鏡陣列投影成像。
[0011 ]上述技術(shù)方案中，所述LED驅(qū)動模塊包括紅光燈、綠光燈和藍光燈。
[0012]上述技術(shù)方案中，所述觸發(fā)器的輸入端與主控制器連接，其輸出端通過I/O接口與FPGA芯片連接。
[0013]優(yōu)選的，所述主控制器內(nèi)設(shè)有緩存區(qū)，所述主控制器從存儲模塊中加載投影圖像到緩存區(qū)中。
[0014]優(yōu)選的，所述存儲模塊為閃存。
[0015]本實用新型的有益效果:本實用新型的三維測量系統(tǒng)對投影和拍攝方法進行改進，將待投影的一組圖片預(yù)先保存到投影機的存儲模塊中，而且投影機每投影一幅圖像的同時，主控制器使觸發(fā)器輸出觸發(fā)信號給工業(yè)相機，工業(yè)相機接收到觸發(fā)信號時即時采集一幅圖片，有效減少采集時間，實現(xiàn)了工業(yè)相機和投影機的同步這一關(guān)鍵，測量過程只需投影和拍攝9幅圖片即可，測量效率較高，且測量的性噪比和抗噪性較好;通過對硬件的自動控制，實現(xiàn)對整套系統(tǒng)的自動標定及對待測物體的自動快速重構(gòu)，使三維測量更高效、更精準。
【附圖說明】
[0016]下面結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】做進一步的說明。
[0017]圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0018]圖2是本實用新型中標定的操作流程圖；
[0019]圖3是本實用新型中標定的軟件程序流程圖；
[0020]圖4是本實用新型中測量的軟件程序流程圖；
[0021 ]圖5是本實用新型的整體操作流程圖。
【具體實施方式】
[0022]參見圖1-5，本實用新型提供的一種基于三波長條紋投影的快速三維測量系統(tǒng)，包括計算機1、工業(yè)相機2和投影機3，工業(yè)相機2包括微控制器21、FPGA芯片23、傳感器22、圖像緩沖器24以及以太網(wǎng)控制器25，所述微控制器21分別連接傳感器22、FPGA芯片23和以太網(wǎng)控制器25 ο投影機3包括主控制器31、微鏡陣列模塊32、LED驅(qū)動模塊33、觸發(fā)器36、接口模塊35以及存儲模塊34，所述主控制器31分別連接微鏡陣列模塊32、LED驅(qū)動模塊33和存儲模塊34，所述主控制器31通過接口模塊35與計算機I連接。
[0023]工業(yè)相機2的工作原理:工業(yè)相機2通過以太網(wǎng)控制器25與計算機I連接通信，當(dāng)工業(yè)相機2接收到單幀采集的控制信號時，微控制器21控制傳感器22進行曝光，傳感器22采集到的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA芯片23保存到圖像緩沖器24中，當(dāng)采集圖片數(shù)目達到預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時，圖像緩沖器24中的圖片數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA芯片23和以太網(wǎng)控制器25傳輸?shù)接嬎銠CI中，這樣就實現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的獲得與傳輸。其中對工業(yè)相機2曝光時間、圖像增益等的參數(shù)設(shè)置也是通過以太網(wǎng)控制器25和微控制器21實現(xiàn)的。
[0024]該實施例中，主控制器31為DLPC350控制器，該主控制器31內(nèi)設(shè)有緩存區(qū)311，采用的LED驅(qū)動模塊33包括紅光燈、綠光燈和藍光燈，采用的存儲模塊34為閃存(FLASH)，接口模塊35為UART接口，計算機I通過UART接口發(fā)送控制數(shù)據(jù)和待投影圖像信號，并設(shè)置投影機3的投影模式等參數(shù)。
[0025]投影機3的工作原理:計算機I預(yù)先設(shè)計的待投影條紋圖通過投影機3的UART接口，經(jīng)DPLC350控制器保存到FLASH中。當(dāng)接收到投影圖像的命令時，首先DLPC350從FLASH中加載所需要投影圖像到其緩存區(qū)311中，然后微鏡陣列模塊32根據(jù)接收到圖像數(shù)據(jù)，控制每個像素所對應(yīng)的每個微鏡的開關(guān)頻率從而實現(xiàn)投影，其投影過程是DLPC350控制LED驅(qū)動模塊33中的紅、綠、藍燈的電流而控制LED的亮度，LED燈光透過微鏡陣列投影成像。傳統(tǒng)的投影方式慢是因為計算機I發(fā)送一個投影命令，到投影機3真正把圖片投影完全的這個時間是不知道的，這是就人為在發(fā)送一個投影命令后加入延時。另外，計算機I發(fā)送一個拍攝命令給照相機，到相機真正拍攝完全，這個時間也是不知道的，又要加入一定的延時。因為沒有實現(xiàn)相機和投影的曝光同步，所以有很多冗余時間。而本實用新型的測量系統(tǒng)將待投影的一組圖片事先已加載到FLASH中，本實施例中一共采用9幅圖片，而且實現(xiàn)了工業(yè)相機2和投影機3的同步這一關(guān)鍵，所以速度較快，即投影機3每投影一幅圖像的同時，DLPC350控制器使觸發(fā)器36輸出一個高電平信號給工業(yè)相機2，工業(yè)相機2的I/O接受到一個上升沿時，觸發(fā)采集一幅圖片。如此，傳統(tǒng)投影的系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)(9幅圖片)耗時約3-5秒，本系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時間減為I秒以內(nèi)。
[0026]本系統(tǒng)的操作流程和軟件程序流程分為標定和測量兩個部分。一次標定完成，只要工業(yè)相機2和投影機3這兩大硬件的相對位置不發(fā)生變化則系統(tǒng)標定參數(shù)一直有效，即一次標定可多次測量。圖2中標定板位置改變的次數(shù)η根據(jù)精度要求可調(diào)整，但必須大于等于3，精度要求增高，η應(yīng)相應(yīng)增加，一般20即可。為簡化系統(tǒng)操作流程，我們將系統(tǒng)固定在定制的支架上，確保硬件相對位置不變，那么后續(xù)測量都無需再進行標定，如圖2和3所示。圖4所示為本系統(tǒng)測量的軟件程序流程，所有的步驟都已經(jīng)通過自編軟件程序自動實現(xiàn)。用戶可以利用內(nèi)置的條紋圖片進行測量獲取三維數(shù)據(jù)，如果有研究人員需要自定義投影條紋的波長，也可以設(shè)計好后加載至系統(tǒng)，系統(tǒng)將自動完成后續(xù)測量過程。
[0027]參見圖5所示，本實用新型的三維測量系統(tǒng)的操作流程為，先需要檢測工業(yè)相機2、投影機3和計算機I之間的數(shù)據(jù)線、控制線、網(wǎng)線以及電源線是否正常連接;然后看是否需要調(diào)整相關(guān)參數(shù)(系統(tǒng)設(shè)置好后此步可省)，是否需要標定(系統(tǒng)固定好后此步亦可省)；接著要選擇是投影計算機I中預(yù)設(shè)的條紋圖(用戶自定義的條紋圖)還是投影機3FLASH中的條紋圖，若是用戶自定義的，則需通過軟件重新加載進FLASH中，若是投影預(yù)設(shè)條紋則直接進入采集模式的選擇。采集模式有兩種，一種是逐幅投影計算機I預(yù)設(shè)條紋圖，逐步拍攝的非嚴格同步的采集，耗時約3-5秒，適合靜止物體的測量;另一種是在投影前，把需要投影的條紋圖下載到投影機3的FLASH中，在投影時由DLPC350加載FLASH的條紋圖到內(nèi)存中，然后控制其它相關(guān)模塊，把圖片投影出去，每投影一幅便給相機發(fā)送一個信號進行拍攝的快速采集，耗時I秒內(nèi)，適合微動物體的測量。兩種采集模式都可獲取需要的數(shù)據(jù)最終計算得到待測物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)重構(gòu)。
[0028]以上所述，只是本實用新型的較佳實施例而已，本實用新型并不局限于上述實施方式，只要其以相同的手段達到本實用新型的技術(shù)效果，都應(yīng)屬于本實用新型的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種基于三波長條紋投影的快速三維測量系統(tǒng)，其特征在于:包括， 計算機(I); 工業(yè)相機(2)，包括微控制器(21)、FPGA芯片(23)、傳感器(22)、圖像緩沖器(24)以及以太網(wǎng)控制器(25)，所述微控制器(21)分別連接傳感器(22)、FPGA芯片(23)和以太網(wǎng)控制器(25)，工業(yè)相機(2)通過以太網(wǎng)控制器(25)與計算機(I)連接通信，所述微控制器(21)控制傳感器(22)進行曝光，所述傳感器(22)采集到的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA芯片(23)保存到圖像緩沖器(24)中，圖像緩沖器(24)中的圖片數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA芯片(23)和以太網(wǎng)控制器(25)傳輸?shù)接嬎銠C(I)中； 投影機(3 )，包括主控制器(31)、微鏡陣列模塊(32 )、LED驅(qū)動模塊(33 )、觸發(fā)器(36 )、接口模塊(35)以及存儲模塊(34)，所述主控制器(31)分別連接微鏡陣列模塊(32)、LED驅(qū)動模塊(33)和存儲模塊(34)，所述主控制器(31)通過接口模塊(35)與計算機(I)連接，所述投影機(3)每投影一幅圖像的同時，所述主控制器(31)通過觸發(fā)器(36)輸出觸發(fā)信號給工業(yè)相機⑵。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三波長條紋投影的快速三維測量系統(tǒng)，其特征在于:所述LED驅(qū)動模塊(33)包括紅光燈、綠光燈和藍光燈。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三波長條紋投影的快速三維測量系統(tǒng)，其特征在于:所述觸發(fā)器(36 )的輸入端與主控制器(31)連接，其輸出端通過I /0接口與FPGA芯片(23 )連接。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的基于三波長條紋投影的快速三維測量系統(tǒng)，其特征在于:所述主控制器(31)內(nèi)設(shè)有緩存區(qū)(311)，所述主控制器(31)從存儲模塊(34)中加載投影圖像到緩存區(qū)(311)中。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于三波長條紋投影的快速三維測量系統(tǒng)，其特征在于:所述存儲模塊(34)為閃存。
【文檔編號】G01B11/25GK205561781SQ201620177719
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年3月8日
【發(fā)明人】龍佳樂, 張建民, 范智暉
【申請人】五邑大學(xué)