一种硬件智能化的结构光三维扫描系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于智能化的结构光三维扫描系统领域，特别涉及一种硬件智能化的结构 光三维扫描系统及方法。
【背景技术】
[0002] 在三维视觉、缺陷检测、三维测量等领域，结构光三维扫描技术发挥着越来越重要 的作用。目前，结构光三维扫描技术通过在PC端存储结构光图片并将图片输出到投影仪进 行投影，再由PC端控制相机进行拍摄，通过相机传回的变形光栅图像数据进行三维重构，从 而计算出被扫描物体的三维信息。
[0003] 相位测量轮廓术PMP是采用结构光照明的主动三维测量常用技术之一。一个完整 的PMP系统包括一个投射结构光的投影仪，一个采集图像的照相机，一个控制照相机和投影 机并对采集到的图像进行数据处理的控制器，控制器通常为计算机。具体测量过程为:控制 器将需要投影的正弦光栅发送给投影机，投影机投射一组正弦光栅到被测物体表面，一组 正弦光栅具有相同的周期，连续的两次投射的光栅之间有一个相移，一组内的每一次相移 量是一定的；光栅投影到物体表面后会被物体的表面结构所扭曲，照相机同步采集每次相 移后的在物体表面产生形变的光栅图像;采集得到的图像发送给控制器，由控制器根据变 形光栅计算物体的相位，再由相位重建物体的三维形貌。
[0004] 传统的主动三维测量技术所有的编解码过程都在控制器中完成，投影光栅由控制 器生成，然后发送给投影机，照相机拍摄图片后又将图片发送给控制器进行处理。
[0005] 上述技术中，因为所有编解码工作由控制器完成，控制器的性能低下就会导致整 个过程效率低下。所有的计算过程由控制器完成，对控制器的性能要求高。数据传输量较 大，尤其是在多频PMP中，需要的投影光栅达几十幅，直接传输图片的方式显得过程繁琐，效 率低下。
【发明内容】
[0006] 本实用新型为解决现有技术中存在的以上问题，提供了一种硬件智能化的结构光 三维扫描系统及方法，提高了扫描过程的效率，大幅度减少了控制器输出和输入的数据传 输量，有效地降低了对控制器性能的要求，实用性高。
[0007] 为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
[0008] -种硬件智能化的结构光三维扫描系统，包括：
[0009]控制器:预设光栅类型，经过无线路由器向投影仪发送光栅类型编号和所预设的 光栅类型的参数;经过无线路由器向照相机发出方式选择命令，所述方式选择命令决定照 相机经过无线路由器传向控制器的数据类型;对从照相机处接收的数据进行存储以及完成 三维重建；
[0010]无线路由器:将控制器输出的光栅类型编号和所预设的光栅类型的参数发送到投 影仪，将控制器发出的方式选择命令发送到照相机，将照相机输出的数据传到控制器；
[0011] 投影仪：内部设置有可编程门阵列FPGA或数字信号处理器DSP，FPGA或DSP生成正 弦光栅图像，投影仪对所述正弦光栅图像在被测物体上进行投影，产生变形光栅图像；
[0012] 照相机:照相机对变形光栅图像进行实时拍照，根据控制器选定的数据类型，照相 机经过无线路由器向控制器传送原始数据或者传送经照相机内的FPGA或DSP处理过的数 据。
[0013]上述方案中，所述控制器设有依次连接的处理控制模块、wifi模块和天线模块。 [0014] 一种硬件智能化的结构光三维扫描系统实现的方法，包括以下步骤：
[0015] 步骤1:在控制器上预设光栅类型，控制器经过无线路由器向投影仪发送光栅类型 编号和所预设的光栅类型的相关参数；
[0016] 步骤2:投影仪中的可编程门阵列FPGA或数字信号处理器DSP生成正弦光栅图像， 投影仪对所述正弦光栅图像在被测物体上进行投影，产生变形光栅图像；
[0017] 步骤3:照相机对变形光栅图像进行实时拍照；
[0018] 步骤4:控制器经过无线路由器向照相机发出方式选择命令，所述方式选择命令决 定照相机传向控制器的数据类型；
[0019] 步骤5:根据控制器选定的数据类型，照相机经过无线路由器向控制器传送原始数 据或者传送经照相机内的FPGA或DSP处理过的数据；
[0020] 步骤6:控制器对从无线路由器接收到的数据进行存储或者完成三维重建。
[0021] 上述方案中，所述步骤1中所述的光栅类型包括相位测量轮廓术PMP、二进制和线 扫描。
[0022]上述方案中，所述步骤2中所述的正弦光栅图像的生成公式为：
[0023]
[0024] 其中，η是相移指数，代表第η帧图片，#表示第η帧图片的正弦光栅光强，p代表投 影仪，Αρ和Βρ是自定义系数，f表示光栅的空间频率，Ν表示正弦光栅图像的总数量，也是总的 相移数，（x p，yp)是投影仪中的坐标，Η是正弦光栅图像的高度；
[0025] 上述方案中，所述步骤4中照相机传向控制器的数据类型包括原始变形光栅图像 数据、相位数据和三维数据。
[0026] 上述方案中，所述步骤5包括以下步骤：
[0027] 步骤5.1:若选定的数据类型为原始变形光栅图像数据，照相机向控制器传送原始 变形光栅图像数据表示第η帧形变光栅图像的像素点(x%^)的光强；
[0028] 若选定的数据类型不为原始变形光栅图像数据，则进入步骤5.2;
[0029]步骤5.2:若选定的数据类型为相位数据，照相机向控制器传送经照相机内的FPGA 或DSP计算得到的相位数据：
[0030]
[0031] 其中，η是相移指数，代表第η帧图片，N表示变形光栅图像的总数量，也是总的相移 数，C代表照相机，Μχ%/)表示变形光栅图像中像素点(f，y。的相位值；
[0032]若选定的数据类型不为相位数据，则进入步骤5.3;
[0033]步骤5.3:若选定的数据类型为三维数据，照相机内的FPGA或DSP先计算相位数据 供(￥，/)，再利用#￥，/')和系统标定得到的参数矩阵^。来计算世界坐标系0'￥'2")，最 后计算平均光强度值A e和光强调制B%照相机将和(XW，YW，ZW)和发送给控制器。
[0034]上述方案中，所述步骤5.3包括：
[0035]步骤5.3.1:系统标定得到的参数矩阵Mwc:
[0036]
[0037] 步骤5.3.2 :照相机内的FPGA或DSP计算得到相位数据机V ·/ ):
[0038] 步骤5 · 3 · 3 :照相机内的FPGA或DSP利用 )和Mwc来计算世界坐标系(X W，YW， Zw)：
[0039] p=[xw yw 2w]t=C_1D
[0040] 其中，C、D和P表示矩阵
(x°，y°)表示照相机中的坐标；
[0041 ] 步骤5.3.4 :照相机内的FPGA或DSP计算得到平均光强度值六0和光强调制Be:
[0042]
[0043]
[0044] 其中，A嗝像素点(χ?的平均光强度值，B嗝像素点(χ?的光强调制；
[0045] 步骤5.3.5 :照相机将Ae、Be和(Xw，Yw，Z w)和发送给控制器。
[0046] 上述方案中，所述步骤6中所述三维重建过程需要的数据包括Ae、B。和(X W，YW，ZW)。
[0047] 本发明的有益效果是：
[0048] 1)本发明的投影仪中设有DSP或FPGA，由投影仪中的DSP或FPGA单元生成正弦光 栅，无需控制器生产正弦光栅，减少了控制器的工作量，
[0049] 2)本发明的控制器只需要向投影仪传输所选光栅类型的参数，可避免控制器向投 影仪传输图片的过程，减少控制器与投影仪间的数据传输量，提高工作效率。
[0050] 3)本发明的照相机中设有DSP或FPGA，由照相机中的DSP或FPGA单元计算相位或直 接计算出三维数据，无需控制器进行此类计算，减少了控制器的工作量。
[0051] 4)本发明的照相机可直接传输相位数据和三维数据给控制器，可避免照相机向控 制器传输图片的过程，减少控制器与照相机间的数据传输量，提高工作效率。
[0052] 5)本发明的照相机有三种数据传回方式，用户可根据自己的使用目的来选择，功 能灵活。
[0053] 6)本发明的照相机可向控制器发送原始图片数据，保留了完整的数据信息，可以 提供给相关研究人员用于分析研究测量误差、非线性等。
[0054] 7)本发明的照相机可向控制器发送相位值，数据量小，可以提供给需要相位值的 用户或者对相位感兴趣的相关研究人员。
[0055] 8)本发明的照相机可向控制器发送三维数据，数据量小，可以直接进行三维重建， 提供给直接需要三维重建结果的用户。
[0056] 9)本发明设有无线路由器，可远程控制该系统运行。
【附图说明】
[0057]图1为本发明中f = l，N=4时的正弦光栅图样；
[0058]图2为本发明中相位测量轮廓术结构光三维成像系统；
[0059]图3为本发明系统流程图；
[0060]图4为本发明投影仪部分流程图；
[0061 ]图5为本发明照相机部分流程图。
【具体实施方式】
[0062] 本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥 的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0063] 为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式 并配合附图1-5详予说明。
[0064] 一种硬件智能化的结构光三维扫描系统，包括：
[0065] 控制器:预设光栅类型，经过无线路由器向投影仪发送光栅类型编号和所预设的 光栅类型的参数;经过无线路由器向照相机发出方式选择命令，所述方式选择命令决定照 相机经过无线路由器传向控制器的数据类型;对从照相机处接收的数据进行存储以及完成 三维重建;控制器设有依次连接的处理控制模块、wifi模块和天线模块；
[0066] 无线路由器:将控制器输出的光栅类型编号和所预设的光栅类型的参数发送到投 影仪，将控制器发出的方式选择命令发送到照相机，将照相机输出的数据传到控制器； [0067] 投影仪：内部设置有可编程门阵列FPGA或数字信号处理器DSP，FPGA或