一种基于振镜的三维扫描仪的制作方法

本发明涉及三维测量领域，特别涉及一种基于振镜的三维扫描仪。

背景技术：

从数字图像中计算物体面形三维数据是光学三维传感领域长期研究的焦点。在工业测量、逆向工程、视觉导航、航空航天、影视娱乐、虚拟现实、整形美容等领域均有应用，低成本的三维扫描仪受到了极大关注。微软kinect和英特尔RealSense属于消费类三维形状获取设备，主要面向体感、大场景建模等对三维点云数据精度要求不高的应用。目前，高精度三维扫描仪通常价格昂贵、体积大，而成本低、体积小、精度适中的三维扫描仪产品严重匮乏。

三维扫描仪一般采用主动结构光投影技术，影响三维扫描仪的成本和体积的重要因素是结构光投影模块，目前该模块的常见形式为商用投影仪、工业投影仪，并非针对条纹结构光投影技术设计开发。条纹结构光投影技术要求所投影结构光序列中部分结构光照明光场能量符合正弦分布(如在水平或垂直方向上符合正弦分布)，需要投影多帧结构光模式，因此作为关键技术元素的结构光投影模块并不同时具备成本低、体积小、可实现多帧结构光模式投影的特点。

振镜是一种新型的投影器件，具有体积小、成本低、功耗低的特点，能够完成多帧结构光模式投影，是实现低成本小型三维扫描仪一种重要实现方式。

技术实现要素：

针对现有绝大多数投影技术不适用于投影条纹结构光，或者能投影条纹结构光但体积大或者功耗高，或者成本较高的问题，本发明的目的在于提供一种同时兼具成本低、体积小和可实现多帧结构光模式投影的基于振镜的三维扫描仪。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种基于振镜的三维扫描仪，包括振镜、振镜驱动电路、系统控制电路及相机；所述振镜与所述振镜驱动电路连接，接收并响应所述振镜驱动电路发出的振镜驱动信号；所述振镜驱动电路与所述系统控制电路连接，接收并响应所述系统控制电路发出的振镜控制信号；所述相机与所述系统控制电路连接，接收并响应所述系统控制电路发出的外触发信号；所述系统控制电路接收外部控制命令。

进一步的，所述外部控制命令来源于主控硬件系统，所述主控硬件系统包括计算机和嵌入式系统板。

进一步的，所述系统控制电路接收所述外部命令，通过振镜控制信号和外触发信号协调振镜和相机工作，使得振镜投影结构光与相机拍照保持同步。

进一步的，所述系统控制电路通过所述振镜控制信号调节所述振镜的光场能量分布。例如，振镜控制信号可以控制输出光能量在行方向上为正弦分布、锯齿波分布或根据具体应用场景需求的其他编码方案。

进一步的，所述振镜控制信号为预置信号，预置信号的生成通过预先校准得到。校准过程为建立反映光强控制信号与振镜输出光能量关系的查找表。在振镜扫描过程中，根据所希望输出的光能量在所述查找表中查询获得振镜光强控制信号并输出。使用查找表技术，可精确生成所需光能量分布的出射光场。

进一步的，所述振镜控制信号为高频信号，振镜内部光源选用可高速进行功率调制的光源，输出光能量调制频率远高于振镜扫描频率。在振镜扫描过程中，可以远高于振镜扫描的速度调节光源功率来控制振镜输出的光场能量分布，能量分布更加细腻平滑。

进一步的，所述振镜为二维扫描振镜或一维扫描振镜。二维扫描振镜可投射复杂结构光光场，结构光光场模式由振镜控制信号决定。一维扫描振镜所投影结构光光场在一维方向上的光能量分布由振镜控制信号决定。

进一步的，所述振镜驱动信号控制所述振镜内部激光器的功率和振镜内部反射镜的角度。

可选的，所述振镜光源包括可见光源和/或红外光源，根据振镜内激光器选型而定。据此，所述三维扫描仪包括可见光三维扫描仪和红外光三维扫描仪。

进一步的，所述振镜具有高帧频的特点，一维扫描振镜的帧频达几千帧，而且扫描帧频会随着振镜相关技术与工艺水平的提高而提高。在同步进行振镜扫描和相机拍照时，所述相机曝光时间为振镜扫描周期的整数倍。

进一步的，所述相机的数量为1台以上，所述相机均分别与所述系统控制电路连接，进而提供一种单目或多目三维扫描仪方案。所述系统控制电路接收外部控制命令，向1台或多台相机同时发出外触发信号，1台或多台相机同时拍照。

可选的，所述相机的数量为2台。

进一步的，从所述相机输出图像阵列。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

振镜具有高帧频的特点，相比现有三维扫描仪，该基于振镜的三维扫描仪能够有效完成多帧结构光模式投影与同步拍照，同时具有体积小、成本低、功耗低的特点。通过振镜控制信号，该扫描仪能够按照具体需求控制结构光光场模式或能量分布。通过增加相机数量可实现多目三维扫描方案。

附图说明：

图1为本发明基于振镜的三维扫描仪原理图；

图2为本发明实施例1所示一种典型投影拍摄时序图；

图3为本发明实施例2所示双目方案投影拍摄时序图。

图中标记：100-振镜，200-振镜驱动电路，300-系统控制电路，401-第一相机，402-第二相机，500-结构光光场示例。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

一种基于振镜的三维扫描仪，如图1实线部分所示，包括振镜100、振镜驱动电路200、系统控制电路300及第一相机401；所述振镜100与所述振镜驱动电路200连接，接收并响应所述振镜驱动电路200发出的振镜驱动信号；所述振镜驱动电路200与所述系统控制电路300连接，接收并响应所述系统控制电路300发出的振镜控制信号；所述第一相机401与所述系统控制电路300连接，接收并响应所述系统控制电路300发出的外触发信号；所述系统控制电路300接收外部控制命令Sig-in。所述外部控制命令Sig-in来源于主控硬件系统，所述主控硬件系统包括计算机和嵌入式系统板。

所述系统控制电路300接收所述外部命令，通过振镜控制信号和外触发信号协调振镜100和第一相机401工作，使得振镜100投影结构光与第一相机401拍照保持同步。振镜控制信号可以控制输出光能量在行方向上为正弦分布、锯齿波分布或其他编码方案。如图2所示，在单次三维扫描重建物面三维面形过程中，振镜100投影13幅图像，其中前12幅为条纹图，与时间相位展开算法所规定的正弦条纹模式相对应，第13幅为白场，用于纹理拍摄时照明。振镜100投影结构光与第一相机401拍照同步。

所述系统控制电路300通过所述振镜控制信号调节所述振镜100的光场能量分布。

所述系统控制电路300所发送的振镜控制信号为预置信号，预置信号的生成通过预先校准得到。校准过程为建立反映振镜控制信号与振镜100输出光能量关系的查找表。在振镜100扫描过程中，根据所希望输出的光能量在所述查找表中查询获得振镜控制信号并输出。使用查找表技术，可按需精确生成所需光能量分布的出射光场。

所述系统控制电路300所发送的振镜控制信号为高频信号，振镜内部光源选用可高速进行功率调制的光源，输出光能量调制频率可远高于振镜扫描频率。在振镜100扫描过程中，可以远高于振镜扫描的速度调节光源功率来控制振镜输出的光场能量分布，能量分布细腻平滑。

所述振镜100为二维扫描振镜。二维扫描振镜可投射复杂结构光光场，结构光光场模式由振镜控制信号决定。

所述振镜驱动信号控制所述振镜100内部激光器的功率和振镜100内部反射镜的角度。

所述振镜100光源为可见光源，振镜内激光器为可见光激光器。该三维扫描仪为可见光三维扫描仪。

所述振镜100具有高帧频的特点，一维扫描振镜的帧频达几千帧，而且扫描帧频会随着技术与工艺水平的提高而提高。。在同步进行振镜100扫描和第一相机401拍照时，所述第一相机401曝光时间为振镜100扫描周期的整数倍。

所述第一相机401拍照完成后，从第一相机401输出图像序列Sig-out。

实施例2

如图1实线加虚线部分所示，实施例2与实施例1的区别在于，提供一种双目三维扫描仪方案，还包括第二相机402，所述第二相机402与第一相机401分别与系统控制电路300连接。所述系统控制电路300接收外部控制命令Sig-in，向第一相机401、第二相机402同时发出外触发信号，2台相机同时拍照，时序图如图3所示。拍照完成后，从第一相机401和第二相机402输出图像序列Sig-out。多目三维扫描仪方案参照本实施例2双目三维扫描仪方案，只需增加相机数量，多台相机分别与系统控制电路300连接即可，系统控制与信号传输过程一致。

实施例3

实施例3与实施例1、2的区别在于，所述振镜100为一维扫描振镜，一维扫描振镜所投影结构光光场在一维方向上的光能量分布由振镜控制信号决定。

实施例4

实施例4与上述实施例的区别在于，所述振镜100光源为红外光源，振镜内激光器为红外光激光器。该三维扫描仪为红外光三维扫描仪。