一种激光结构光3D成像方法与流程

本发明涉及3D成像技术领域，特别涉及一种激光结构光3D成像方法。

背景技术：

目前的3D成像和3D投影等大多都是用散斑光源或者LED光源来成像。但是传统的散斑成像，由于高空间相干性的问题，会产生大量随机的斑点或颗粒状的图案，严重影响成像效果；LED光源成像虽然能够避免这种失真，但是对于高速成像来说由于自身的亮度不够使得它的应用具有一定的局限性。由于激光的亮度极高，相干性好，闪光时间短，能量密度极大等优点，使得激光的应用越来越广泛，被广泛应用到各种各样的领域。MEMS微振镜在偏转激光束的时候由于偏转过程中线速度的不同，使得得到的光栅的宽度不同和亮度不均匀，在3D建模成像过程中得到的图像能量分布不均匀和噪声等问题，使得它的应用受到一定限制。

技术实现要素：

为了解决上述发明问题，一种激光结构光3D成像方法，包括用于生成结构光的光学模组、摄像机、上位机及硬件控制电路，所述光学模组包括由激光器、透镜、及MEMS微振镜依次排列组成的光路；所述硬件控制电路由ARM模块、FPGA模块、振镜驱动电路模块、激光器驱动模块、MEMS振镜光电探测器模块及LD光电探测器模块组成。包括如下步骤：

步骤一，通过ARM模块计算出等间距等亮度激光机构光的激光器的出光时刻点；

步骤二，ARM模块将计算结果发送至FPGA模块，FPGA模块按照步骤一中的计算结果通过激光器驱动模块对激光器进行控制、通过振镜驱动模块对MEMS微振镜进行控制；

步骤三，激光器在FPGA模块的控制下出射激光光束至透镜；

步骤四，透镜将激光器的入射光调制成散射均匀的激光线条，并入射至MEMS微振镜；

步骤五，MEMS振镜光电探测器模块对MEMS振镜的相位信息进行采集，并将采集到的信息传递给ARM模块；LD光电探测器模块对通过LD激光器的电流进行采集，并将采集的反馈信息传递给ARM模块，以此控制LD激光器始终工作在阈值电流以上；ARM模块根据接收的信息重新计算出激光器的出光时刻点，并将该出光时刻点信息传递给FPGA模块；

步骤六，FPGA模块根据ARM模块传递的激光器时刻点信息，实时调整控制激光器和MEMS振镜的转动，MEMS振镜将入射的激光线条输出为等间距等亮度的结构光；

步骤七，用所述结构光扫描被检测物体，CCD摄像机在ARM模块的控制下对被检测物体进行拍摄，记录被该物体反射的结构光图像，并通过图像存储模块将图像回传给ARM模块；

步骤八，ARM模块将获取图像信息传递至上位机，并由上位机对图像进行处理，通过标定对比得到被检测物体扫描的三维坐标，上位机对三维坐标进行再次处理，以此得到物体的三维图像。

优选为，所述步骤二中，ARM模块根据如下公式获得所述MEMS微振镜的最大偏转角度与所述激光器出光时刻点，

其中，β_i为第i时刻出射光线距最大出射光线的角度，N为扫描半周期内的明线条或者暗线条的数量；

其中，t_i为激光器的出光时刻点，f为振镜频率，T为振镜的转动周期；FPGA模块控制MEMS微振镜进行谐振；FPGA模块控制激光器以t_i为出光时刻点进行通断。

优选为，所述激光器为LD激光器。

优选为，所述透镜为双面透镜，其中一面为可以对入射光束进行聚焦和准直的入射面，另外一面为可将入射的光束发散成均匀线条的出射面。

一种均匀能量等间距的激光光源结构光控制算法

由于MEMS振镜和激光器协同控制过程中，得到的结构光的具有宽度和亮度的不均匀的缺陷，本方法通过建模得到了等间距和等亮度的结构光，克服了这两个缺陷，得到均匀能量的等间距结构光。

首先建立MEMS振镜和激光器的参考模型，α是结构光的最大角度，β_i为第i时刻出射光线距最大出射光线的角度，l₁和l₂为振镜转动过程中的两个不同位置。N为扫描半周期内的明线条或者暗线条的数量。D为振镜中心到扫描屏的距离。设定扫描线数N＝8192、α＝60°、MEMS振镜的频率f＝456Hz，以MEMS振镜的偏转的最大角度为参考点，求出它所对应的运动轨迹表达式：

根据参考模型，推导得到

以此得到所对应时刻MEMS振镜的偏转角度；

将得到角度代入下式得到等间距的激光器出光时刻点，

分析得到结构光亮度最大的时间间隔的两个时刻点t₈₁₉₂到t₈₁₉₃，用0～255这256个数来量化每个结构光的能量，通过计算每个结构光的的时间间隔，用255来表示最大亮度的结构光，求出最大亮度的时刻差，进行如下运算：

Δt_min＝t₈₁₉₂-t₈₁₉₃

Δt_min*255＝ξ(常数，量化的最大亮度)

求出每个结构光对应的能量，即可得到均匀亮度的结构光条纹：

P_u(t)＝ξ/Δt_min

用得到的16384根等间距等亮度的结构光来重构得到不同的明暗条纹数，即可得到等间距等亮度的明暗条纹。

通过硬件和软件实现得到的等间距等亮度的结构光条纹。

一种3D扫描成像系统，包括由依次排列的激光器、透镜、振镜组成的光路，振镜与振镜驱动电路模块连接，激光器与激光器驱动模块连接，所述振镜驱动电路模块与激光器驱动模块均连接FPGA模块，FPGA模块还连接ARM模块，所述振镜为MEMS微振镜；ARM模块通过激光器光电探测模块与激光器连接、通过振镜光电探测模块与振镜连接；ARM模块还分别连接图像上位机、存储模块及左右两个CCD摄像机；

优选为，所述透镜为双面透镜，其中一面为可以对入射光束进行聚焦和准直的入射面，另外一面为可将入射的光束发散成均匀线条的出射面。

优选为，所述激光器为LD激光器。即半导体激光器。

优选为，ARM模块根据如下公式获得所述MEMS微振镜的最大偏转角度与所述激光器出光时刻点，

其中，β_i为第i时刻出射光线距最大出射光线的角度，N为扫描半周期内的明线条或者暗线条的数量；

其中，t_i为激光器的出光时刻点，f为振镜频率，T为振镜的转动周期；FPGA模块控制MEMS微振镜以β_i为谐振角度进行谐振；FPGA模块控制激光器以t_i为出光时刻点进行通断。

MEMS振镜驱动模块包括升压电路、滤波电路，来得到驱动静电式MEMS振镜的电压，另一方面通过ARM来输出正弦信号或者方波信号来驱动振镜以谐振频率振动；

MEMS振镜驱动模块和LD激光器驱动模块控制光学模组产生均匀的散射激光束，经过ARM和FPGA的协同控制得到等间距等亮度的激光光栅；

MEMS振镜光电探测器模块将采集到的信息传递给ARM，通过得到的反馈信息来检测MEMS振镜的频率和相位；LD光电探测器模块将采集的反馈信息传递给ARM，得到LD激光器的开启阈值；

等间距等亮度的激光光栅扫描被检测到的物体，ARM控制CCD摄像机模块以一定的时间间隔拍摄被物体反射的激光光栅图像，并将这些图像传递给ARM进行缓存处理；

上位机模块对ARM传递给的图像进行增强、滤波、处理等，通过标定对比得到物体扫描的三维坐标，上位机对三维坐标进行再次处理，这些点云三维数据重构后得到物体的三维图像。

3D扫描成像系统的工作过程为：

1、采用高功率的激光器出射激光光束，通过双面透镜的一面聚焦和准值，另一面发散激光束，散射成均匀的激光线条；

2、振镜驱动电路模块控制MEMS振镜，使之按照一定的轨迹运动，达到谐振状态；

3、MEMS振镜光电探测器模块对MEMS振镜的相位信息进行采集，并将采集到的信息传递给ARM模块；LD光电探测器模块对通过LD激光器的电流进行采集，并将采集的反馈信息传递给ARM模块，以此控制LD激光器始终工作在阈值电流以上；ARM模块根据接收的信息重新计算出激光器的出光时刻点，并将该出光时刻点信息传递给FPGA模块；

4、FPGA模块根据ARM模块传递的激光器时刻点信息，实时调整控制激光器和MEMS振镜的转动，MEMS振镜将入射的激光线条输出为等间距等亮度的结构光；

5、用所述结构光扫描被检测物体，CCD摄像机在ARM模块的控制下对被检测物体进行拍摄，记录被该物体反射的结构光图像，并通过图像存储模块将图像回传给ARM模块；

6、ARM模块将获取图像信息传递至上位机，并由上位机对图像进行处理，通过标定对比得到被检测物体扫描的三维坐标，上位机对三维坐标进行再次处理，以此得到物体的三维图像。

其中上位机选用电脑，在上位机中，定义一个无限细分的二维网格，标定每个交点的坐标为(x₀，y₀)，(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，(x₃，y₃)，…，(x_n-1，y_n-1)，(x_n，y_n)

通过对比标定好的二维网格坐标和一定的算法，计算得到二维图像上每个点的坐标，输出并存储每个点的二维坐标值。

通过激光的三角测距法得到物体上每个点距CCD摄像机的距离，上位机对这些数据进行重组筛选处理得到物体上每个点的深度坐标，同第一步得到的二维坐标重组，得到图像上每个点的三维坐标。

将得到的摄像机坐标系的图像的三维坐标进行转换，得到世界坐标系下的每个图像的三维坐标。

将得到的一系列三维坐标构成的点云数据进行处理，利用上位机软件算法实现物体的3D建模，也即：重构得到三维的立体的物体形状。二维图像转化至三维图像为现有技术，在此不再赘述。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：使用MEMS微振镜产生等间距等亮度的扫描机构光。

解决了激光器出射光线在MEMS在偏转过程中得到的机构光条纹宽度和亮度的不均匀的问题，得到了等间距和等亮度的激光结构光。

通过ARM模块和FPGA模块协同MEMS振镜、LD激光器和CCD摄像机，一方面降低了运行时对芯片资源要求，同时能够提高运算速度和精度，另一方面，上位机处理图像处理算法更方便快捷，可视化效果更好。因而，在激光投影、增强现实、结构光扫描、激光雷达和医疗显像与扫描等各种各样的领域有很好的应用前途。

附图说明

图1为本发明实施例的MEMS振镜和激光器的参考建模图。

图2为本发明实施例的激光器出光时刻点所对应的结构光间距线图。

图3为本发明实施例的等间距结构光所对应的激光器的出光时刻曲线图。

图4为本发明实施例的N＝4时，等间距结构光所对应的优化前后的激光器出光时刻和对比曲线。

图5为本发明实施例的N＝8时，等间距结构光所对应的优化前后的激光器出光时刻和对比曲线。

图6为本发明实施例的N＝1024时，等间距结构光所对应的优化前后的激光器出光时刻和对比曲线。

图7为本发明实施例的8个等间距等亮度条纹。

图8为本发明实施例的32个等间距等亮度条纹。

图9为本发明实施例的64个等间距等亮度条纹。

图10为本发明实施例的128个等间距等亮度条纹。

图11为本发明实施例的原理框图。

图12为本发明实施例的实现流程图。

图13为本发明实施例的振镜驱动电路图。

图14为本发明实施例的电压变换电路图一。

图15为本发明实施例的电压变换电路图二。

图16为本发明实施例的电压变换电路图三。

图17为本发明实施例的电压变换电路图四。

图18为本发明实施例的激光器供电电路图。

图19为本发明实施例的激光器驱动电路图。

图20为本发明实施例的上位机标定网格示意图。

图21为本发明实施例的摄像机坐标系和世界坐标系的转换图。

图22为本发明实施例的左侧CCD拍摄到的激光光栅扫描物体示例图。

图23为本发明实施例的右侧CCD拍摄到的激光光栅扫描物体示例。

图24为本发明实施例的3D重构的物体示例图。

具体实施方式

实施例1

参见图1至图24，本发明提供一种激光结构光3D成像方法，包括用于生成结构光的光学模组、摄像机、上位机及硬件控制电路，光学模组包括由激光器、透镜、及MEMS微振镜依次排列组成的光路；硬件控制电路由ARM模块、FPGA模块、振镜驱动电路模块、激光器驱动模块、MEMS振镜光电探测器模块及LD光电探测器模块组成。包括如下步骤：

步骤一，通过ARM模块计算出等间距等亮度激光机构光的激光器的出光时刻点；

步骤二，ARM模块将计算结果发送至FPGA模块，FPGA模块按照步骤一中的计算结果通过激光器驱动模块对激光器进行控制、通过振镜驱动模块对MEMS微振镜进行控制；

步骤三，激光器在FPGA模块的控制下出射激光光束至透镜；

步骤四，透镜将激光器的入射光调制成散射均匀的激光线条，并入射至MEMS微振镜；

步骤五，MEMS振镜光电探测器模块对MEMS振镜的相位信息进行采集，并将采集到的信息传递给ARM模块；LD光电探测器模块对通过LD激光器的电流进行采集，并将采集的反馈信息传递给ARM模块，以此控制LD激光器始终工作在阈值电流以上；ARM模块根据接收的信息重新计算出激光器的出光时刻点，并将该出光时刻点信息传递给FPGA模块；

步骤六，FPGA模块根据ARM模块传递的激光器时刻点信息，实时调整控制激光器和MEMS振镜的转动，MEMS振镜将入射的激光线条输出为等间距等亮度的结构光；

步骤七，用结构光扫描被检测物体，CCD摄像机在ARM模块的控制下对被检测物体进行拍摄，记录被该物体反射的结构光图像，并通过图像存储模块将图像回传给ARM模块；

步骤八，ARM模块将获取图像信息传递至上位机，并由上位机对图像进行处理，通过标定对比得到被检测物体扫描的三维坐标，上位机对三维坐标进行再次处理，以此得到物体的三维图像。

步骤二中，ARM模块根据如下公式获得MEMS微振镜的最大偏转角度与激光器出光时刻点，

其中，β_i为第i时刻出射光线距最大出射光线的角度，N为扫描半周期内的明线条或者暗线条的数量；

其中，t_i为激光器的出光时刻点，f为振镜频率，T为振镜的转动周期；FPGA模块控制MEMS微振镜进行谐振；FPGA模块控制激光器以t_i为出光时刻点进行通断。

激光器为LD激光器。

透镜为双面透镜，其中一面为可以对入射光束进行聚焦和准直的入射面，另外一面为可将入射的光束发散成均匀线条的出射面。

一种均匀能量等间距的激光光源结构光控制算法

由于MEMS振镜和激光器协同控制过程中，得到的结构光的具有宽度和亮度的不均匀的缺陷，本方法通过建模得到了等间距和等亮度的结构光，克服了这两个缺陷，得到均匀能量的等间距结构光。

首先建立MEMS振镜和激光器的参考模型，α是结构光的最大角度，β_i为第i时刻出射光线距最大出射光线的角度，l₁和l₂为振镜转动过程中的两个不同位置。N为扫描半周期内的明线条或者暗线条的数量。D为振镜中心到扫描屏的距离。设定扫描线数N＝8192、α＝60°、MEMS振镜的频率f＝456Hz，以MEMS振镜的偏转的最大角度为参考点，求出它所对应的运动轨迹表达式：

根据参考模型，推导得到

以此得到所对应时刻MEMS振镜的偏转角度；

将得到角度代入下式得到等间距的激光器出光时刻点，

分析得到结构光亮度最大的时间间隔的两个时刻点t₈₁₉₂到t₈₁₉₃，用0～255这256个数来量化每个结构光的能量，通过计算每个结构光的的时间间隔，用255来表示最大亮度的结构光，求出最大亮度的时刻差，进行如下运算：

Δt_min＝t₈₁₉₂-t₈₁₉₃

Δt_min*255＝ξ(常数，量化的最大亮度)

求出每个结构光对应的能量，即可得到均匀亮度的结构光条纹：

P_u(t)＝ξ/Δt_min

用得到的16384根等间距等亮度的结构光来重构得到不同的明暗条纹数，即可得到等间距等亮度的明暗条纹。

通过硬件和软件实现得到的等间距等亮度的结构光条纹。

一种3D扫描成像系统，包括由依次排列的激光器、透镜、振镜组成的光路，振镜与振镜驱动电路模块连接，激光器与激光器驱动模块连接，振镜驱动电路模块与激光器驱动模块均连接FPGA模块，FPGA模块还连接ARM模块，振镜为MEMS微振镜；ARM模块通过激光器光电探测模块与激光器连接、通过振镜光电探测模块与振镜连接；ARM模块还分别连接图像上位机、存储模块及左右两个CCD摄像机；

透镜为双面透镜，其中一面为可以对入射光束进行聚焦和准直的入射面，另外一面为可将入射的光束发散成均匀线条的出射面。

激光器为LD激光器。即半导体激光器。

ARM模块根据如下公式获得MEMS微振镜的最大偏转角度与激光器出光时刻点，

其中，β_i为第i时刻出射光线距最大出射光线的角度，N为扫描半周期内的明线条或者暗线条的数量；

其中，t_i为激光器的出光时刻点，f为振镜频率，T为振镜的转动周期；FPGA模块控制MEMS微振镜以β_i为谐振角度进行谐振；FPGA模块控制激光器以t_i为出光时刻点进行通断。

MEMS振镜驱动模块包括升压电路、滤波电路，来得到驱动静电式MEMS振镜的电压，另一方面通过ARM来输出正弦信号或者方波信号来驱动振镜以谐振频率振动；

MEMS振镜驱动模块和LD激光器驱动模块控制光学模组产生均匀的散射激光束，经过ARM和FPGA的协同控制得到等间距等亮度的激光光栅；

MEMS振镜光电探测器模块将采集到的信息传递给ARM，通过得到的反馈信息来检测MEMS振镜的频率和相位；LD光电探测器模块将采集的反馈信息传递给ARM，得到LD激光器的开启阈值；

等间距等亮度的激光光栅扫描被检测到的物体，ARM控制CCD摄像机模块以一定的时间间隔拍摄被物体反射的激光光栅图像，并将这些图像传递给ARM进行缓存处理；

上位机模块对ARM传递给的图像进行增强、滤波、处理等，通过标定对比得到物体扫描的三维坐标，上位机对三维坐标进行再次处理，这些点云三维数据重构后得到物体的三维图像。

外围电路方面不是本发明的技术要点，不存在必要的发明特征，本领域技术人员可以用其它相关电路进行替换使用。

MEMS微振镜，采用静电式MEMS振镜，通过振镜驱动电路模块驱动振镜使振镜达到谐振状态，MEMS振镜的最大偏转角度为60度。

激光器驱动模块，通过驱动芯片控制LD激光器的通断时间间隔，以及LD激光器的亮度调制等；激光器控制模块的主控芯片型号是MAX3601A。

MEMS振镜驱动电路模块，主要包括直流稳压电源、升压芯片、运算放大电路。该模块用来输出驱动MEMS振镜所需要的电压；MEMS振镜驱动模块是以LM2733YML为主控芯片控制的升压电路

ARM模块，计算出等间距等亮度激光机构光的LD激光器的出光时刻点，传递给FPGA来控制激光器和MEMS振镜的偏转，ARM模块的主控芯片型号是STM32F107VCT6。

FPGA模块，协同控制MEMS振镜和LD激光器，伴随着MEMS振镜的谐振，使得均匀的激光机构光变成等间距等亮度的激光机构光。FPGA模块的主芯片XC6SLX45-2CSG32。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。