结合达曼光栅的多光刀彩色三维测量装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及三维形貌及颜色测量领域，具体地说是涉及一种结合达曼光栅的分析 和测量物体三维形貌与颜色的装置与方法。
【背景技术】
[0002] 随着社会的进步，对高分辨率的颜色和轮廓数据的需求变得十分强烈。在生产生 活中，对三维物体的颜色及形貌信息的评价变得十分普遍。例如在计算机中建造实际物体 的虚拟模型以进行一些数据的检验和分析。常见的视觉测量技术主要包括:结构光法、立体 视觉法、莫尔条纹方法等。而在颜色渲染技术上也有相关的研究。
[0003] 专利CN1301480 C描述了一种利用普通光扫描和激光相结合的复合式三维彩色扫 描的技术。其利用三角测距原理，获取物体表面测量点的准确坐标值，将普通光扫描和激光 扫描生成的数据自动迭加复合，从而得到更加详细的坐标数据。在轮廓识别的同时，通过摄 像装置获取物体表面的彩色信息，得到被扫描物体的三维纹理贴图，两者结合，便形成初步 的三维彩色模型。该方法计算数据量巨大，并且需要事先对物体的形貌有一定的认识。
[0004] 美国Arius3D公司参考National Research Council of Canada在专利 US005708498A提出的方案，采用一束含有多组分波长的复色光束投射到物体上，反射光分 为两束。一束由传感器阵列接受来确定其相对位置；另一束由分光棱镜分为不同组分波长 的光束由一个光敏传感器件线性阵列来接收。这样便同时获得物体的轮廓信息和颜色信 息。该方法是真实的彩色扫描，但由于其采用的是点扫描，因此扫描效率很低，并且对环境 稳定性要求很高。
[0005] 加拿大Inspect公司采用相位光栅的方法来获得物体的三维形貌然后拍摄二维相 片来进行三维物体的纹理贴图，这种方法的颜色渲染精度不容易控制，并且容易发生贴图 变形。
[0006] 周常河等人给出了从2到64点阵的达曼光栅解[参见在先技术：C.H.Zhou and L·R·Liu，"Numerical Study of Dammann Array Illuminators"，Appl·Opt·，1995，34 (26) :5961~5969]，专利CN 101451826 C同样提出了利用达曼光栅扩束从而通过傅立叶变 换轮廓术来获取物体三维形貌的方法，但是其操作复杂，且对标定精度要求较高，难以实现 快速精确测量。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种结合达曼光栅的多光刀彩 色三维测量装置与方法，用于物体三维形貌及表面颜色的测量。该方法简单易行，不需借助 分光谱元件，并且精度较高，可以实现快速高精度的三维物体彩色形貌测量。
[0008] 本发明的技术解决方案如下：
[0009] 一种结合达曼光栅的多光刀彩色三维测量装置，包括:光投影模块、(XD相机、步进 电机、以及分别与所述的光投影模块、CCD相机、步进电机相连的控制处理模块；
[0010] 所述的光投影模块包括红绿蓝三色激光光源、该激光光源的上下二路出射光束分 别依次经快门、反射镜至合色棱镜，该激光光源的中路出射光束经中路快门至合色棱镜，该 合色棱镜将三路光束整合为一束出射，并通过光阑入射至达曼光栅，经该达曼光栅扩展为 激光点阵，并在柱透镜的作用下沿一个方向展开为线激光阵列，对放置在基准平面上的待 测物体均匀扫描，该基准平面与步进电机相连；
[0011] 所述的CCD相机负责采集红绿蓝三种照明状态下待测物体的数字图像；
[0012] 所述的控制处理模块控制红绿蓝三色光源与(XD相机的开闭，并储存(XD相机采集 的图像。
[0013] 所述的红绿蓝三色激光光源为波长稳定的激光。
[0014] 利用所述的结合达曼光栅的多光刀彩色三维测量装置置进行物体表面颜色测量 的方法，该方法包括实测前先利用色品坐标已知的标准色卡对系统进行标定阶段以及实测 阶段；
[0015] 所述的标定阶段，具体步骤如下：
[0016] ①移除达曼光栅，将标准色卡放置在基准平面上；
[0017] ②分别开启光投影模块红、绿和蓝色激光光源快门，当红/绿/蓝色激光光源照明 标准色卡时，(XD相机采集对应的红/绿/蓝色线激光照明下同一线不同位置处同一标准色 卡的数字图像灰度值，关闭光投影模块红/绿/蓝色激光光源；
[0018] ③标准色卡包含颜色的色品坐标均已知，标准色卡中某种颜色在红绿蓝三色光照 明下的所采集的图像亮度分别为^人）、1(；〇)、1 6(\)，建立起该颜色色品坐标(1(\)，奴\)，2 (λ))与其红绿蓝图像亮度值Ηλ)、?(；(λ)、ιΒ(λ)之间的对应关系；
[0019] ④多次重复上述步骤②和步骤③，建立若干个颜色色品坐标与红绿蓝图像亮度之 间的对应关系，利用该数据建立起两者之间的函数关系；
[0020] 所述的实测时，具体步骤如下：
[0021 ]①将达曼光栅移至光阑和柱透镜之间；
[0022]②分别开启光投影模块红、绿和蓝色激光光源快门，照明待测物体，控制处理模块 控制步进电机以一定的速率旋转使线激光阵列能完整扫描整个待测物体，CCD相机采集相 应的红/绿/蓝光照明下待测物体的数字图像，关闭光投影模块红/绿/蓝色激光光源；
[0023]③根据采集的红/绿/蓝数字图像计算待测物体的三维坐标x，y，z，依据需测量区 域中某像素红绿蓝亮度值1[?(1，7)、1(；(1，7)、1[3(1，7)，通过色品坐标(1(>)，7(>)，2(>))与红 绿蓝图像亮度值Ικ(λ)、Ι(；(λ)、Ι Β(λ)之间的函数关系检索出该像素色品坐标，建立{x，y，z: R，G，B}的点云存储，得到物体的彩色三维信息。
[0024]与现有技术相比，本发明具有操作简单、标定容易、可以在精确获得物体表面三维 形貌的同时快速的获取物体表面纹理色彩信息的优势。
【附图说明】
[0025]图1是本发明结合达曼光栅的多光刀彩色三维测量装置的结构示意图。
[0026]图2是基于激光光源的光投影模块内部基本构造。
[0027]图3是线激光扫描中三角法原理示意图。
[0028]图4是实测与标定过程流程图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范 围。
[0030] 如图1所示，结合达曼光栅的多光刀彩色三维测量装置包含一个光投影模块1，可 以实现待测物体4物体表面不同波长的线激光投影;CCD相机2用于在各种扫描条件下进行 图像信息的收集，并由控制处理模块3存储处理，并实现测量区域的颜色比对和物体三维坐 标数据的计算存储。
[0031] 光投影模块包含红绿蓝三色激光光源、快门、反射镜、合色棱镜、达曼光栅、柱透镜 等器件，可对待测物体进行红绿蓝三色线激光扫描。控制处理模块用于控制激光的强度、快 门的闭合、步进电机的转动速度以及CCD相机采集数据的存储处理与标定数据的存储。控制 处理模块可以包含任何用于确定待测物体三维形貌及颜色的任何硬件、软件、固件或其组 合。
[0032] 本发明具体步骤如下:光投影模块采用红色激光阵列对物体进行扫描，与此同时 CCD相机采集待测物体图像，关闭红光光源对应快门；保持光投影模块、待测物体与数码相 机相对位置不变，进行绿色光刀扫描并采集存储待测物体相同位置的数字图像，关闭绿光 光源对应快门；保持光投影模块、待测物体与数码相机相对位置不变，进行蓝色光刀扫描并 采集存储待测物体图像，关闭蓝光光源快门。控制处理模块储存上述扫描图像，利用三角原 理计算出对应的点的世界坐标x，y，z并将需要测量区域中各像素的红绿蓝亮度值I R(x，y)、 1〇(^7)、18(^7)与预先色品坐标已知的标准色卡的标定结果进行分析比对，最终得出需要 测量区域各像素的世界坐标及色品坐标。
[0033]如图1，图2所示，激光照射达曼光栅21会在一定距离上产生等光强的光点阵列，通 过柱透镜22在一个方向上展开可以生成光强近似一致的线阵列，从而可实现待测物体表面 多光刀的投影。
[0034] 如图2所示，光投影模块1选用激光光源。红绿蓝三色激光器的波长分别为700nm、 546 · lnm、435 · 8nm，分别以11、12、13标识，14、15、16分别为对应红绿蓝三色激光的快门系 统，17、18分别为对应红色激光和蓝色激光的反射镜。快门14、15、16由控制处理模块控制， 从而实现不同时间不同波长激光的照明。三色激光经过相应的反射镜，经合色棱镜19和光 阑20并经过达曼光栅21和柱透镜22最终在待测物体4表面投影强度均匀的线激光。
[0035] 达曼光栅是一种简易方便的二元光学器件，如图4所示，利用达曼光栅和柱透镜可 以方便的生成多列线激光。<