专利名称：动态多分辨率的三维数字成像的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种动态多分辨率的三维数字成像的方法及装置，属于三维数字成像技术。
背景技术：
基于主动式激光三角测量的三维成像技术能够非接触地获得景物的高密度深度数据，包括激光点扫描三角测量和激光片扫描三角测量的三维成像技术，例如CYBERWARE(www.cyberware.com)和DIGIBOT(www.digibotics.com)公司的三维数字化仪，所说的方法和装置都需要机械或光学扫描机制，因此三维成像的速度受到很大限制。基于条纹投影和相位测量的三维成像技术无需任何机械或光学扫描机制，不仅具有非接触、高密度深度数据的特点而且具备全场深度信息获取的特征，从而被广泛的研究与发展。
目前提出的基于条纹投影和相位测量的三维数字成像大致包括两类激光干涉条纹投影和白光光栅投影。条纹或光栅作为单一频率的空间载波投射到景物上，景物将深度信息编码在调制的空间载波之中，成像装置和光电探测器获取单幅或多幅编码空间载波图像，通过对所说的编码载波图像进行光学或数字解码获得景物的深度数据。解码调制的空间载波图像的有效方法之一是通过“移相算法”，这需要产生三幅以上的相位移动编码空间载波图。所说的方法大多只能产生固定和单一的空间频率(或周期)的条纹或光栅，难以快速(如视频速率)产生相位移动，不能应用于动态三维传感的场合，对任意形状景物物体的三维成像不具有普适性，例如当景物出现梯度很大的变化时所说的方法都失效。可对比的技术文献有下以四篇[1]发明专利申请号98102408[2]发明专利申请号98111691。[3]M.Rioux，“Three dimensional imaging method and device”.US Patent 4,627,734[4]M.Halioua and V.Srinivasan，“Method and apparatus for surface profilometry”.US Patent4,641,972发明内容本发明的目的在于提供一种动态多分辨率的三维数字成像的方法及装置。该技术以实时产生空间变频和相位移的正弦空间载波序列照明，应用于动态三维传感场合，对任意形状的景物物体的三维成像均具有普适性。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案加以实现的。采用包括双声光照明发射器、图像传感接收器和图像处理器构成的装置，实施对景物动态多分辨率的三维数字成像方法。其特征在于，双声光调制照明发射器与图像传感接收器在空间同一平面内形成一个固定夹角，它们与被照明景物构成一个三角形；发射器与接收器相对位置的连线为基线，照明发射器以实时产生的空间变频和相位移动的正弦空间载波序列照明景物，并对景物进行深度的空间和时间序列编码，获得空间和时间序列编码的相位移正弦载波的结构光，再经解码得到对景物的多分辨率三维深度信息，即三维数字像。
上述的对景物进行深度的空间和时间序列编码，是分别以ξ1，ξ2＝xξ1，……ξM＝xξM-1(其中x为正整数)不同频率以及同一频率以不同相位移(δ1、δ2……δN)条纹结构光依次照明景物，分别得到M×N个编码的条纹强度分布图，利用“相移算法”计算出各条纹强度分布图的相位图Φ1、Φ2、Φ3……ΦM，在每个相位图中消除2π不确定性，从而对景物得到分辨率依次递进的深度像。
按照上述的方法，实现动态多分辨率的三维数字成像的装置，主要包括双声光调制照明发射器、图像传感接收器和图像处理器，所说的图像传感接收器包括光学成像透镜与光电探测器构成，光学成像透镜可以是定焦距或变焦距的成像透镜或透镜组，二元光学成像系统，衍射元件成像系统，显微成像系统；所说的光电探测器件可以是电荷耦合器件，液晶器件，空间光调制器件或由数码相机；所述的图像处理器是数字信号处理器与可编程专用集成电路的组合，也可以是通用图像处理卡和计算机组合构成，其特征在于，双声光调制照明发射器，它是由相干光源、光束分束器、双声光调制器及射频驱动电路、方向微调器、空间滤波器、光束间距变换器(光楔)、聚焦透镜、显微物镜构成；它的驱动射频信号为频率相同且具有0～2π可控相位差的驱动信号，并且实时变化频率。
本发明的优点在于(1)整体系统采用全固态结构，无任何机械运动，因此稳定性和重复性性能很好；(2)双声光调制照明发射器的设计采用“共光路”或“等光程”对称结构，因此可以补偿空气扰动的影响；(3)通过两个以上的双声光调制照明发射器与图像传感接收器在空间位置上的不同组合可以获得不同方位的条纹结构光序列，由此大大增加了三维数字成像的精度和灵活性。
图1是本发明方法的工作原理示意2是双声光(AOM)调制照明发射器的结构框3是采用一个双声光调制照明发射器和两个图像传感接收器对景物照射成像时位置摆放示意图。
图4是图3装置在同一平面直线摆放时的俯视图。
图5是图3装置在同一平面呈三角形摆放时的俯视图。
图6是采用一个图像传感接收器和两个双声光调制照明发射器对景物照射成像位置摆放示意图。
图7是图6装置在同一平面直线摆放时的俯视图。
图8是图6装置在同一平面呈三角形摆放时的俯视图。
图中101是双声光调制照明发射器，102是图像传感接收器，103是图像处理器，104是景物，201是相干光源，202是分束器，203和204是声光调制器，205和206是方向微调器(光楔)，207是双空间滤波器，208是合束器，209是聚焦透镜，210是显微物镜。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施方式做详细地说明。
如图1所示双声光调制照明发射器与图像传感接收器在空间同一平面形成一个固定的夹角，照明器的光轴与成像光轴以及照明发射器与图像传感接收器的相对位置构成一个三角形。双声光调制照明发射器的射频驱动信号的频率和相位由图像处理器的计算机或数字信号处理器及D/A转换控制。照明发射器与图像传感接收器相对位置之间的连线定义为基线，双声光调制照明发射器与图像传感接收器一同放置在待测景物的前方。双声光调制照明发射器产生空间变频和不同相移量的时-空条纹结构光序列，并投射到景物上，景物深度信息对空间变频和不同相移量的时-空条纹结构光序列进行空间相位编码并将结果传送到图像处理器。具体操作采用以下步骤(1)用空间最低频率ξ1(例如ξ1是一个空间条纹周期的倒数)和不同相位移(δ1，δ2，…，δN，N≥3)的条纹结构光依次照明被测景物，由成像系统和图像传感接收器时序获取每一幅相位移动的空间编码的条纹强度分布图，利用“相移算法”计算出条纹强度分布的相位图φ1(无2π不确定性)，根据上述所说的三角关系可以由所说的相位图计算确定非整数条纹级次，由此进一步得到景物的粗略轮廓；(2)将空间频率调整成ξ2＝Xξ1，其中X是正整数，用频率ξ2和不同相位移的条纹结构光照明被测景物，按照上述所说的方法计算第二个相位图φ2，用相位复原算法可以消除2π不确定性，得到的相位图将使φ2的分辨率比φ1的分辨率提高X倍，因为前一次用ξ1已经分辨出的2π不确定的结果会继承到用ξ2测量的过程中；(3)一旦用ξ2分辨出2π不确定，则可进行到第三个分辨层次的测量，如此重复，可以不断提高景物轮廓三维成像的分辨率。
图2是双声光(AOM)调制照明发射器101的一个具体实施例。相干光源201产生的光束经过分光棱镜202后形成两束平行光，分别以Bragg角入射到两个声光调制器203和204的输入端，在两个声光调制器(AOM)的输出端分别取出正一级衍射光，经过两个光楔205和206重新调整为两束平行光，再经空间滤波器进入合束器208改变其间距，然后经过聚焦透镜209得到干涉场的微结构，再经过显微放大单元210得到放大的正弦条纹分布。通过计算机控制两个声光调制器(AOM)的射频驱动信号的频率可以时序改变两个AOM的一级衍射光的衍射角度，控制两个声光调制器(AOM)的射频驱动信号的相位差可以时序改变两个AOM的一级衍射光相互之间产生的相位移动，从而产生空间变频和不同相移量的时-空条纹结构光序列。条纹空间频率和相位移动量均可通过改变射频信号的带宽来改变，改变声波传播的延迟可以在毫秒量级实现，因此用上述方法产生的时-空变频条纹图照明可以大大高于视频速率(每帧约40毫秒)。
图3是本发明的另外一种实施例，它是采用一个双声光调制照相发射器和两个图像传感接收器对景物进行照射成像装置位置布置示意图，图4和图5是图3的两种空间不同布置的俯视图。在这个实施例中使用一个双声光(AOM)调制照明发射器101和两个图像传感接收器102，由所说的双声光(AOM)调制照明发射器产生并投射空间变频和不同相移量的时-空条纹结构光序列，条纹空间频率和相位移动量均可通过改变射频信号的带宽来改变，由所说的两个图像传感接收器从两侧分别依次或同时获取经过景物深度信息编码后的时-空序列条纹图的光强度分布，并将结果传送到图像处理器对所说的编码时-空序列条纹图的光强度分布进行相位解码，计算机将对应所说的两个接收器的两组相位解码数据融合在一起得到最后的结果。使用两个图像传感接收器可以避免由于景物深度产生的遮挡现象，增大了三维传感的视场范围。
图6是本发明的又一种实施例，它是采用一个图像传感接收器和两个双声光照射发射器对景物进行照射成像装置位置布置示意图，图7和8是它们在两种空间不同布置的俯视图。在这个实施例中使用两个双声光(AOM)调制照明发射器101和一个图像传感接收器102，由所说的两个双声光(AOM)调制照明发射器从两侧产生并投射两种空间方位和空间频率相同或不同的空间变频和相移的时-空条纹结构光序列，条纹空间频率和相位移动量均可通过改变射频信号的带宽来改变，由所说的一个图像传感接收器从一侧依次或同时获取经过景物深度信息编码后的，对应所说的两个双声光(AOM)调制照明发射器的时-空序列条纹图的光强度分布，并将结果传送到图像处理器对所说的编码时-空序列条纹图的光强度分布依次或同时进行相位解码，计算机将对应两个发射器的两组相位解码数据融合在一起得到最后的结果。使用两个双声光(AOM)调制照明发射器可以产生空间方位和频率相同或不同的序列空-时结构光照明，可以大大增加三维数字成像的灵敏度和普适性。
权利要求
1.一种动态多分辨率的三维数字成像的方法，该方法采用包括双声光照明发射器、图像传感接收器和图像处理器构成的装置，实施对景物动态多分辨率的三维数字成像，其特征在于双声光调制照明发射器与图像传感接收器在空间同一平面内形成一个固定夹角，它们与被照明景物构成一个三角形；发射器与接收器相对位置的连线为基线，照明发射器以实时产生的空间变频和相位移动的正弦空间载波序列照明景物，并对景物进行深度的空间和时间序列编码，获得空间和时间序列编码的相位移正弦载波的结构光，再经解码得到对景物的多分辨率三维深度信息，即三维数字像。
2.按权利要求1所述的动态多分辨率的三维数字成像的方法，其特征在于对景物进行深度的空间和时间序列编码，是分别以ξ1，ξ2＝xξ1，……ξM＝xξM-1(其中x为正整数)不同频率以及同一频率以不同相位移(δ1、δ2……δN)条纹结构光依次照明景物，分别得到M×N个编码的条纹强度分布图，利用“相移算法”计算出各条纹强度分布图的相位图Φ1、Φ2、Φ3……ΦM，在每个相位图中消除2π不确定性，从而对景物得到分辨率依次递进的深度像。
3.一种按照权利要求1所述的方法，实现动态多分辨率的三维数字成像的装置，该装置主要包括双声光调制照明发射器、图像传感接收器和图像处理器构成，所说的图像传感接收器包括光学成像透镜与光电探测器构成，光学成像透镜可以是定焦距或变焦距的成像透镜或透镜组，二元光学成像系统，衍射元件成像系统，显微成像系统；所说的光电探测器件可以是电荷耦合器件，液晶器件，空间光调制器件或数码相机；所述的图像处理器是数字信号处理器与可编程专用集成电路的组合，也可以是通用图像处理卡和计算机组合构成，其特征在于双声光调制照明发射器，它是由相干光源、光束分束器、双声光调制器及射频驱动电路、方向微调器、空间滤波器、光束间距变换器(光楔)、聚焦透镜、显微物镜构成；它的驱动射频信号为频率相同且具有0～2π可控相位差的驱动信号，并且实时变化频率。
全文摘要
本发明公开了一种动态多分辨率的三维数字成像的方法及装置，包括双声光照明发射器，图像传感接收器和图像处理器。由所说的照明发射器产生不同空间周期或频率以及不同相位移动的结构光序列，并按时间序列投射到被数字化的景物上，对景物深度信息进行空－时序列编码，由图像传感接收器获取经过序列空－时编码的结构光的数字图像，图像处理器通过对空－时序列编码结构光图像的解码得到景物的多分辨率三维深度信息，即三维数字像。本发明的优点在于装置无任何机械运动，稳定性和重复性好；双声光调制照明发射器采用“共光路”或“等光程”对称结构，抗外界干扰性能强；空间结构光实时变频和调相，分层次空－时相位重建，三维数字成像的精度和灵活性高。
文档编号G02F1/13GK1414420SQ0213109
公开日2003年4月30日 申请日期2002年10月9日 优先权日2002年10月9日
发明者彭翔, 李恩邦 申请人:天津大学