一种基于三波长条纹投影的快速三维测量系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开的一种基于三波长条纹投影的快速三维测量系统，包括计算机、工业相机和投影机，当接收到投影图像的命令时，首先主控制器从存储模块中加载所需要投影图像，然后微镜阵列模块根据接收到的图像数据控制每个像素所对应的每个微镜的开关频率从而实现投影，在投影机每投影一幅图像的同时，主控制器使触发器输出触发信号给工业相机，工业相机接收到触发信号时即时采集一幅图片，有效减少采集时间，实现了工业相机和投影机的同步这一关键，通过对硬件的自动控制，实现对整套系统的自动标定及对待测物体的自动快速重构，使三维测量更高效、更精准。
【专利说明】
一种基于三波长条纹投影的快速三维测量系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及三维测量技术领域，尤其是一种基于三波长条纹投影的快速三维测量系统。
【背景技术】
[0002]三维形貌测量是使用电子仪器获取被测物体表面三维形貌信息的技术。随着现代科学研究的深入和工业生产水平的不断提高，人们对于物体三维形貌准确测量的需求日益强烈，而基于数字条纹投影的三维形貌测量技术作为新一代非接触式三维形貌测量，相比较传统方法有着诸如非接触无损耗、操作和实现简单、实时、成本低廉等优势，已经被广泛应用于工业自动检测、逆向设计、生物医学、文物复制、特征识别等众多领域。
[0003]传统的基于数字条纹投影的三维形貌测量系统通常是先设计一组数字条纹图像通过投影仪先后投射到参考平面和待测物体表面，并用照相机拍摄下来。由于参考平面表面形貌没有任何起伏，所以相机拍摄到的经参考平面直接反射的是没有任何形变的条纹，称为参考条纹。但经待测物体表面反射的条纹发生了形变，显然这种变形条纹携带了物体表面形貌的三维信息，基于数字条纹投影的三维形貌测量即是通过对这种变形条纹和参考条纹的对比分析提取出物体表面的三维形貌信息的。
[0004]传统的基于数字条纹投影的三维形貌测量系统存在可操作性差，对硬件设备的位置约束过强，且需要应用参考平面等问题，于是S.Zhang和P.huang提出一种新的系统模型(S.Zhang, P.Huang.Novel method for structured light system calibrat1n.0ptics Engineering, 2006, 45(8):8360-8368.)，通过建立照相机图像和投影机图像的对应关系，使得投影机可以像照相机一样拍摄图像，即变成一个逆向相机，从而将投影机的参数标定转化为成熟的照相机参数标定，进而将整个三维形貌测量系统的标定演变成为成熟的双目视觉系统的标定。
[0005]作为基于多幅不同频率相位图进行展开的时间相位展开技术，为了提高测量效率，希望需要的相位图尽可能的少，两副自然是最佳选择。Hunt I ey和Sal dner提出时间相位展开算法为了对归一化频率为s的投影条纹进行相位展开，一共需要log2(s)+l个频率的投影条纹，其所需要获取的图像仍然过多。鉴于此，减少实验条纹图片的数目在诸如动态场景的三维重构和实时的三维数据获取等很多应用场合都是非常有意义的。
【实用新型内容】
[0006]为了解决上述技术问题，本实用新型提供的一种基于三波长条纹投影的快速三维测量系统，能够实现标定过程自动化，更高效、更精准。
[0007]为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是:
[0008]一种基于三波长条纹投影的快速三维测量系统，包括计算机、工业相机和投影机，工业相机包括微控制器、FPGA芯片、传感器、图像缓冲器以及以太网控制器，所述微控制器分别连接传感器、FPGA芯片和以太网控制器，工业相机通过以太网控制器与计算机连接通信，所述微控制器控制传感器进行曝光，所述传感器采集到的图像数据经过FPGA芯片保存到图像缓冲器中，图像缓冲器中的图片数据经过FPGA芯片和以太网控制器传输到计算机中；
[0009]投影机包括主控制器、微镜阵列模块、LED驱动模块、触发器、接口模块以及存储模块，所述主控制器分别连接微镜阵列模块、LED驱动模块和存储模块，所述主控制器通过接口模块与计算机连接，所述投影机每投影一幅图像的同时，所述主控制器通过触发器输出触发信号给工业相机。
[0010]计算机预先设计的待投影条纹图通过投影机的接口模块，经主控制器保存到存储模块中。当接收到投影图像的命令时，首先主控制器从存储模块中加载所需要投影图像，然后微镜阵列模块根据接收到的图像数据控制每个像素所对应的每个微镜的开关频率从而实现投影，其投影原理是主控制器通过LED驱动模块控制LED的亮度，LED灯光透过微镜阵列投影成像。
[0011 ]上述技术方案中，所述LED驱动模块包括红光灯、绿光灯和蓝光灯。
[0012]上述技术方案中，所述触发器的输入端与主控制器连接，其输出端通过I/O接口与FPGA芯片连接。
[0013]优选的，所述主控制器内设有缓存区，所述主控制器从存储模块中加载投影图像到缓存区中。
[0014]优选的，所述存储模块为闪存。
[0015]本实用新型的有益效果:本实用新型的三维测量系统对投影和拍摄方法进行改进，将待投影的一组图片预先保存到投影机的存储模块中，而且投影机每投影一幅图像的同时，主控制器使触发器输出触发信号给工业相机，工业相机接收到触发信号时即时采集一幅图片，有效减少采集时间，实现了工业相机和投影机的同步这一关键，测量过程只需投影和拍摄9幅图片即可，测量效率较高，且测量的性噪比和抗噪性较好;通过对硬件的自动控制，实现对整套系统的自动标定及对待测物体的自动快速重构，使三维测量更高效、更精准。
【附图说明】
[0016]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】做进一步的说明。
[0017]图1是本实用新型的结构原理图；
[0018]图2是本实用新型中标定的操作流程图；
[0019]图3是本实用新型中标定的软件程序流程图；
[0020]图4是本实用新型中测量的软件程序流程图；
[0021 ]图5是本实用新型的整体操作流程图。
【具体实施方式】
[0022]参见图1-5，本实用新型提供的一种基于三波长条纹投影的快速三维测量系统，包括计算机1、工业相机2和投影机3，工业相机2包括微控制器21、FPGA芯片23、传感器22、图像缓冲器24以及以太网控制器25，所述微控制器21分别连接传感器22、FPGA芯片23和以太网控制器25 ο投影机3包括主控制器31、微镜阵列模块32、LED驱动模块33、触发器36、接口模块35以及存储模块34，所述主控制器31分别连接微镜阵列模块32、LED驱动模块33和存储模块34，所述主控制器31通过接口模块35与计算机I连接。
[0023]工业相机2的工作原理:工业相机2通过以太网控制器25与计算机I连接通信，当工业相机2接收到单帧采集的控制信号时，微控制器21控制传感器22进行曝光，传感器22采集到的图像数据经过FPGA芯片23保存到图像缓冲器24中，当采集图片数目达到预先设定的数值时，图像缓冲器24中的图片数据经过FPGA芯片23和以太网控制器25传输到计算机I中，这样就实现了图像数据的获得与传输。其中对工业相机2曝光时间、图像增益等的参数设置也是通过以太网控制器25和微控制器21实现的。
[0024]该实施例中，主控制器31为DLPC350控制器，该主控制器31内设有缓存区311，采用的LED驱动模块33包括红光灯、绿光灯和蓝光灯，采用的存储模块34为闪存(FLASH)，接口模块35为UART接口，计算机I通过UART接口发送控制数据和待投影图像信号，并设置投影机3的投影模式等参数。
[0025]投影机3的工作原理:计算机I预先设计的待投影条纹图通过投影机3的UART接口，经DPLC350控制器保存到FLASH中。当接收到投影图像的命令时，首先DLPC350从FLASH中加载所需要投影图像到其缓存区311中，然后微镜阵列模块32根据接收到图像数据，控制每个像素所对应的每个微镜的开关频率从而实现投影，其投影过程是DLPC350控制LED驱动模块33中的红、绿、蓝灯的电流而控制LED的亮度，LED灯光透过微镜阵列投影成像。传统的投影方式慢是因为计算机I发送一个投影命令，到投影机3真正把图片投影完全的这个时间是不知道的，这是就人为在发送一个投影命令后加入延时。另外，计算机I发送一个拍摄命令给照相机，到相机真正拍摄完全，这个时间也是不知道的，又要加入一定的延时。因为没有实现相机和投影的曝光同步，所以有很多冗余时间。而本实用新型的测量系统将待投影的一组图片事先已加载到FLASH中，本实施例中一共采用9幅图片，而且实现了工业相机2和投影机3的同步这一关键，所以速度较快，即投影机3每投影一幅图像的同时，DLPC350控制器使触发器36输出一个高电平信号给工业相机2，工业相机2的I/O接受到一个上升沿时，触发采集一幅图片。如此，传统投影的系统采集数据(9幅图片)耗时约3-5秒，本系统采集数据时间减为I秒以内。
[0026]本系统的操作流程和软件程序流程分为标定和测量两个部分。一次标定完成，只要工业相机2和投影机3这两大硬件的相对位置不发生变化则系统标定参数一直有效，即一次标定可多次测量。图2中标定板位置改变的次数η根据精度要求可调整，但必须大于等于3，精度要求增高，η应相应增加，一般20即可。为简化系统操作流程，我们将系统固定在定制的支架上，确保硬件相对位置不变，那么后续测量都无需再进行标定，如图2和3所示。图4所示为本系统测量的软件程序流程，所有的步骤都已经通过自编软件程序自动实现。用户可以利用内置的条纹图片进行测量获取三维数据，如果有研究人员需要自定义投影条纹的波长，也可以设计好后加载至系统，系统将自动完成后续测量过程。
[0027]参见图5所示，本实用新型的三维测量系统的操作流程为，先需要检测工业相机2、投影机3和计算机I之间的数据线、控制线、网线以及电源线是否正常连接;然后看是否需要调整相关参数(系统设置好后此步可省)，是否需要标定(系统固定好后此步亦可省)；接着要选择是投影计算机I中预设的条纹图(用户自定义的条纹图)还是投影机3FLASH中的条纹图，若是用户自定义的，则需通过软件重新加载进FLASH中，若是投影预设条纹则直接进入采集模式的选择。采集模式有两种，一种是逐幅投影计算机I预设条纹图，逐步拍摄的非严格同步的采集，耗时约3-5秒，适合静止物体的测量;另一种是在投影前，把需要投影的条纹图下载到投影机3的FLASH中，在投影时由DLPC350加载FLASH的条纹图到内存中，然后控制其它相关模块，把图片投影出去，每投影一幅便给相机发送一个信号进行拍摄的快速采集，耗时I秒内，适合微动物体的测量。两种采集模式都可获取需要的数据最终计算得到待测物体表面的三维点云数据，实现重构。
[0028]以上所述，只是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本实用新型的技术效果，都应属于本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种基于三波长条纹投影的快速三维测量系统，其特征在于:包括， 计算机(I); 工业相机(2)，包括微控制器(21)、FPGA芯片(23)、传感器(22)、图像缓冲器(24)以及以太网控制器(25)，所述微控制器(21)分别连接传感器(22)、FPGA芯片(23)和以太网控制器(25)，工业相机(2)通过以太网控制器(25)与计算机(I)连接通信，所述微控制器(21)控制传感器(22)进行曝光，所述传感器(22)采集到的图像数据经过FPGA芯片(23)保存到图像缓冲器(24)中，图像缓冲器(24)中的图片数据经过FPGA芯片(23)和以太网控制器(25)传输到计算机(I)中； 投影机(3 )，包括主控制器(31)、微镜阵列模块(32 )、LED驱动模块(33 )、触发器(36 )、接口模块(35)以及存储模块(34)，所述主控制器(31)分别连接微镜阵列模块(32)、LED驱动模块(33)和存储模块(34)，所述主控制器(31)通过接口模块(35)与计算机(I)连接，所述投影机(3)每投影一幅图像的同时，所述主控制器(31)通过触发器(36)输出触发信号给工业相机⑵。2.根据权利要求1所述的基于三波长条纹投影的快速三维测量系统，其特征在于:所述LED驱动模块(33)包括红光灯、绿光灯和蓝光灯。3.根据权利要求1所述的基于三波长条纹投影的快速三维测量系统，其特征在于:所述触发器(36 )的输入端与主控制器(31)连接，其输出端通过I /0接口与FPGA芯片(23 )连接。4.根据权利要求1-3任一所述的基于三波长条纹投影的快速三维测量系统，其特征在于:所述主控制器(31)内设有缓存区(311)，所述主控制器(31)从存储模块(34)中加载投影图像到缓存区(311)中。5.根据权利要求4所述的基于三波长条纹投影的快速三维测量系统，其特征在于:所述存储模块(34)为闪存。
【文档编号】G01B11/25GK205561781SQ201620177719
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年3月8日
【发明人】龙佳乐, 张建民, 范智晖
【申请人】五邑大学