三维图像采集系统的制作方法

本发明涉及图像采集技术领域，特别涉及一种三维图像采集系统。

背景技术：

三维成像技术从扫描原理上来划分可以分为扫描三维成像技术和非扫描三维成像技术。其中，扫描式最典型的代表是全扫描式激光雷达，其工作原理是在点测量与线测量的基础上，通过对空间全扫描来完成整个空间物体的三维扫描过程。这种扫描式的三维成像技术的优点是探测距离远、精度高，但是价格昂贵、体积大，无法满足消费类电子产品所需的便携性要求。与扫描式对应的是无扫描三维成像技术，这种技术在获取物体三维信息过程中并不需扫描这个冗长的机械操作，最典型的应用是双目视觉和结构光投影成像技术。其中，双目视觉技术模仿人类双眼视觉成像原理，利用光源与摄像头以及物体之间的几何关系来计算距离，其结构简单，但精度比较容易受系统本身的制约，而且对外部环境因素比较敏感，比如光照情况、是否有遮挡和目标形状纹理，另外一种结构光成像技术，虽然与双目视觉相比，对外部环境没有那么敏感，但是要往空间投射出能区分空间上任何一个点的结构光，比如光栅条纹，所以这种技术往往对投影系统要求非常苛刻，再加上各种面结构光法都难以做到兼顾分辨率和测量速度，最终的距离计算方法还有待改进。因此，目前三维成像技术在成像清晰度、成像速度、距离计算精度以及实时性这几个方面还存在诸多不足，并且由于价格高和体积大，在很大程度上制约了三维成像技术的发展。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种三维图像采集系统，可精确地采集三维图像数据，实现在pc机上实时显示获取到的数据和三维图像。

为解决上述技术问题，本发明采用了一种三维图像采集系统，包括采集模块、控制模块、数据传输模块和电源模块，所述采集模块包括光照单元和图像传感器，所述光照单元包括led光源和led驱动电路，led驱动电路连接led光源，图像传感器采用tof传感器，所述led驱动电路和tof传感器，所述控制模块包括控制单元、时钟电路和a/d转换单元，所述时钟电路和a/d转换单元分别连接控制单元，所述控制单元分别连接led驱动电路和tof传感器，所述tof传感器连接a/d转换单元，所述数据传输模块连接控制单元，所述电源模块为系统各模块提供工作电源。

上述技术方案中，进一步地，所述控制单元采用cpld控制芯片。

上述技术方案中，进一步地，所述数据传输模块采用usb接口电路，所述控制单元通过usb接口电路连接上位机，将采集的数据传输至上位机。

本发明采用tof传感器及相关模块对三维图像数据进行采集，并能在上位机上实时显示和存储，具有图像采集精度高、系统功耗小、成本低的特点。

附图说明

图1是本发明结构框图。

图2是本发明led驱动电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1，为本实施例三维图像采集系统的系统结构框图，该系统主要包括采集模块、控制模块、数据传输模块和电源模块，采集模块包括光照单元和图像传感器，所述光照单元包括led光源和led驱动电路，led驱动电路连接led光源，图像传感器采用tof传感器，所述led驱动电路和tof传感器，所述控制模块包括控制单元、时钟电路和a/d转换单元，所述时钟电路和a/d转换单元分别连接控制单元，所述控制单元分别连接led驱动电路和tof传感器，所述tof传感器连接a/d转换单元，所述数据传输模块连接控制单元，所述电源模块为系统各模块提供工作电源。

本实施例中tof传感器采用pmd公司的pmd19k-s3传感器芯片，能够同时抓取实时的距离和灰度信息、高精度、低功耗，读出时钟能够达到15mpixel/s；最大帧率80fps；集成背景光抑制功能；能同时输出三列数据；所有的复位时序、曝光时序和读出时序都由外部电路提供。片上调制驱动；并由串行外设接口总线配置；在室内和室外环境都能准确计算出距离信息；在160*120的分辨率下，检测距离为2m。该传感器芯片总共40个引脚，行列控制信号占主要部分，额外有5个spi接口，pmd19k-s3有两种不同的串行spi接口，每种有一个8位的存储空间来配置数字和模拟系统参数。两种接口共用引脚，是配置数字还是模拟通过两根选择线ce_a和ce_d来切换；其中配置模拟部分主要用于配置读出放大器，配置数字部分用来配置系统参数。

led光源采用型号为sfh4235的大功率近红外光led，sfh4235是osram产品中的堆叠型号，光源中心波长在850nm，可满足系统的使用需求。led驱动电路如图2所示，由两个sn74lvc芯片和si1553dl芯片组成，通过两路输出来满足sfh4235的要求，其中每一路的驱动电流为0.5a。

该系统中控制模块作为系统的核心控制部分，需要完成tof传感器、a/d数据转换及控制单元的驱动时序的控制，因此，该模块的控制单元选择cpld芯片，具体地，本实施例中cpld芯片采用xilinx公司的xc2c256coolrunner-ii作为核心控制器件。

系统中tof传感器采集到的数据通过数据传输模块实时地传输至上位机中进行数据的处理和图像的显示，本实施例中数据传输模块采用usb接口电路，通过usb接口电路满足系统高速数据传输的需求。具体地，usb接口电路采用cy7c68013a芯片，是一款高集成度、低功耗的usb2.0微控制器，与上位机的通信速率最快可以达到每秒53兆字节以上，cy7c68013a兼容usb2.0与usb1.0协议；支持两种模式：gpif模式以及从fifo模式，可以与其他通用接口进行无缝的连接，这样可以大大地缩短开发时间，降低开发成本。同时，cy7c68013a支持从外部晶振输入24mhz的时钟信号，主要的控制使能信号都与cpld芯片相连，以便控制单元控制其工作方式、数据传输等过程。

由于从tof传感器输出的信号是模拟电压信号，因此需要先进行模数转换后才能进行传输、存储操作，而且pmd19k-s3传感器芯片是三路并行输出，系统a/d转换单元采用一个能够同时进行三路ad转换的adc转换芯片，具体地，本实施例中所采用的是analogdevice公司的ad9826芯片。ad9826芯片是一款16位的模拟信号处理器，采用了用于对r/g/b三基色ccd阵列的输出的三通道采样结构架构；每个单通道均由箝位电路、相关双采样cds以及可编程增益放大器pga等电路组成。内部集成cds电路，对于已有cds功能的传感器可以通过配置adc寄存器来使cds无效；其最大采样速率可达15msps。ad9826能在6种不同的模式下工作：3通道cds模式，3通道sha模式，2通道cds模式，2通道sha模式，1通道cds模式，1通道sha模式。系统中利用3通道sha模式，实现对tof传感器的三列输出数据的处理。ad9826的工作过程通过cpld芯片来控制。

系统电源采用5v电源输入，通过电平转换芯片转换为系统中各模块所需的工作电压，电源模块中采用as1117进行5v至3.3v的电平转换，as1117支持固定模式的5v输入3.3v电平输出；采用tps71719完成5v至1.9v的电源转换，采用ld1117s18完成5v至1.8v的电源转换。

该系统在工作时，由时钟电路的晶振产生100mhz的基准时钟信号，cpld芯片输出控制信号对tof传感器进行复位、曝光和读出操作，在曝光过程中，cpld芯片同时发送出频率为20mhz的方波调制信号，来控制led光源的光强，同时cpld芯片产生一个与方波调制信号同向同频率的控制信号送入tof传感器相应的引脚；tof传感器读取的数据经过ad9826进行模数转换，此时得到第一组数据；再曝光再读取，与第一次曝光的差别在于tof传感器的调制信号相比于第一次曝光延迟90°，读取后的模拟信号输出至ad9826，这样得到了第二组数据，按上述过程再重复2次，由cpld产生的控制信号分别比调制信号延迟180°和270°，上述过程完成后，即可在上位机上获得一帧深度数据所需要的全部四帧图像数据。

本发明的说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的，在本发明基础上，本领域技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中一些技术特征作出一些替换和变形，均在本发明的保护范围内。