微型结构光三维测量装置的制作方法

本实用新型属于光学和电学通信结合的领域，涉及一种嵌入式智能结构光投影和图像采集的同步系统，特别是一种集固态光源照明模块、快速条纹结构光投射模块、数据采集处理模块和LCD显示模块为一体的微型结构光三维测量装置。

背景技术：

随着计算机技术和图形学的快速发展，基于结构光的三维测量已经成为目前三维测量的主要趋势。在众多的测量方法中，结构光三维测量以其量程大、范围广、重建算法相对简单、稳定性较好，图像信息易于提取、及主动受控等特点，近年来被广泛应用于三维测量领域。测量原理是通过投射模块投出光源图像到被测物体表面，再通过相机(光接收器)在另外一个角度采集变形后的图像，然后通过三维重建算法构造出被测物体的三维表面数据。结构光三维测量装置主要由三个部分构成：结构光投射装置、图像获取装置（通常为 CCD 摄像头）和控制、数据处理及显示装置（通常为计算机）。传统的结构光三维视觉测量系统通常采用商用投影模块或自制物理光栅投影机构作为其投射模块。商用投影仪体积大、能耗高、速度慢，且会引入Gamma非线性误差；物理光栅投射机构质量好，但响应速度慢、控制机构复杂、成本高，局限性也大。现有的结构光三维测量装置正常工作时，均需要与计算机相连，都没有真正实现装置的手持式，不方便携带。

技术实现要素：

针对上述技术中存在的不足之处，本实用新型提供一种基于嵌入式智能结构光投影和图像采集同步的微型结构光三维测量装置。具有结构光投射、采集、处理和显示实时可控的特点，真正实现了结构光三维测量装置的微型化和便携化。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种微型结构光三维测量装置，其特征在于：具有一个基于DLP的结构光投射模块，嵌入式处理器实时调整结构光投射模块的工作模式，生成匹配被测物体特定区域的不同分辨率的结构光，生成的结构光投射到被测物体表面，使被测物体的特征区域具有不同的分辨率，图像采集模块采集被测物体的图像信息，传输至嵌入式处理器系统，嵌入式处理器连接图像显示模块，嵌入式处理器进行相关的数据处理和三维重构，通过图像显示模块显示被测物体的三维形貌；无线WiFi模块通信接口和可移动设备连接嵌入式处理器，嵌入式处理器连接有FLASH或SRAM存储器，通过无线WiFi模块或可移动设备将24位深度的RGB条纹图案存储在FLASH存储器中，由可充电锂电池对嵌入式处理器供电。

所述基于DLP的结构光投射模块由固态光源和投射模块构成，所述固态光源由一个 LED或激光光源和一个出射光对准的准直透镜构成；所述投射模块由一个 DMD 驱动板与一个 DMD 构成。

本实用新型与现有的其它结构光测量装置相比较，具有如下显著的特点：

采用固态光源照明（LED 光源、或激光光源）与自主设计的嵌入式实时结构光投射系统，取消了色轮，提高了光源响应速度；基于DLP技术和DMD数字微镜技术，实现了结构光投射模块的高速、高质量和高稳定性；使用嵌入式系统，解决了投射器体积大，成本高、投射质量低问题；基于DLP的结构光投射模块采用的RGB888格式数据，读取flash中的结构光光栅数据，直接进行投射输出，速度快，精度高，避免了格式转换中的数据失真问题，质量和便携性大大提高；同时系统还有效的解决了投射模块和图像采集模块的同步问题。

采用嵌入式处理器系统，实现了整个结构光三维测量系统的微型化，具有实时控制、数据快速处理以及显示的特点。图像采集器与嵌入式处理器相连，实现了图像采集系统的实时采集。LCD 显示屏与嵌入式处理器相连，实现了被测物体三维信息的实时显示。整个系统具有结构光投射、采集、处理和显示实时可控的特点。

采用内置可充电锂电池，使用时，既可以外界电源，也可使锂电池供电，更好的实现了结构光三维测量装置的微型化和便携化，适合多种场合的应用。

通过WiFi通信接口或可移动设备外接存储器接口，能够方便快捷的与各种终端进行数据传输和存储。

为了保证结构光的投射质量和实现结构光投射系统的，微型化及实时可控，本实用新型采用微型激光投影主光学引擎，获得了高质量的结构光，实现了结构光。尤其值得指出的是，系统的照明光源采用三基色固态光源（LED，激光），取消传统投影系统的色轮，响应速度进一步提高。

为了获得高质量的结构光，采用固态光源的高质量结构光投射模块，核心部件为数字微镜阵列DMD。采用DMD微镜阵列反射光，光利用率高，图像对比度高，色彩更真实；同时，由于每个微镜都可以单独控制，可以为测量提供准确的、真实的编码图像。与传统的单行扫描法和接触式坐标测量法相比，DLP辅助的结构光方法有着高分辨率，更高的可编程图案速率，能产生高精度的3D实时数据，实现结构光范围、大小和分辨率的实时可控。此外，DMD还可在系统设计中提供灵活性——波长选择范围很广，可从365纳米到2，500纳米。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施例作进一步详细的说明。

图1为本实用新型原理图；

图2为嵌入式结构光投射模块。

具体实施方式

如图1所示的一种微型结构光三维测量装置，具有一个基于DLP的结构光投射模块，嵌入式处理器实时调整结构光投射模块的工作模式，生成匹配被测物体特定区域的不同分辨率的结构光，生成的结构光投射到被测物体表面，使被测物体的特征区域具有不同的分辨率，图像采集模块采集被测物体的图像信息，由结构光投射模块精准控制图像采集模块的摄像头的采集触发，使图像采集模块与结构光投射系统同步，清晰采集由投射模块投射的结构光图案。传输至嵌入式处理器系统，嵌入式处理器连接图像显示模块，嵌入式处理器进行相关的数据处理和三维重构，通过图像显示模块显示被测物体的三维形貌；无线WiFi模块通信接口和可移动设备连接嵌入式处理器，嵌入式处理器连接有FLASH或SRAM存储器，通过无线WiFi模块或可移动设备将24位深度的RGB条纹图案存储在FLASH存储器中，嵌入式处理器控制主控投影芯片调取图像信息，以高速的频率刷新将图案投影显示出来。由可充电锂电池对嵌入式处理器供电。

如图2所示，所述基于DLP的结构光投射模块由固态光源1和投射模块构成，所述固态光源1由一个 LED 2或激光光源和一个出射光对准的准直透镜3构成；所述投射模块由一个 DMD 驱动板4与一个 DMD 5构成。固态光源（ LED 、激光）产生的扩散光束经准直透镜后变成平行光束，入射到嵌入式实时 DMD 模块，根据实际的需要通过嵌入式处理器8控制调整 DMD 的工作模式，产生匹配模式的结构光，投射到目标物体6上，CCD 摄像机7采集图像信息。上述的嵌入式处理器系统以ARM为核心，根据需要，结合FPGA 构成快速处理嵌入式处理器，能实时控制 DMD，对采集的图像数据进行快速处理和三维重构，替代了传统的计算机，实现了装置的微型化。

结构光图案为RGB条纹图案，通过PC端的MATLAB软件, 采用四步相移的方法生成条纹结构光图案，其四次相移变化依次为0，π/2,π, 3π/2，生成16幅8位灰度信息的条纹光栅图片，图片格式为BMP,非压缩存储，保存图像信息的完整性。主控投影芯片一次读取一幅24位RGB图片，所以需要对8位深度灰度信息的BMP格式的条纹光栅图进行相关转换处理，其R, G, B三个通道分别对应8位256阶灰度图，合成24位深度信息的RGB条纹图案，满足投影主控芯片显示阵列的要求。

整个系统采用内置可充电锂电池，使用时，既可以外界电源，也可使锂电池供电，更好的实现了结构光三维测量装置的微型化和便携化，适合多种场合的应用。

本实用新型微型结构光三维测量装置工作流程：结构光条纹图案生成，采用基于计算机上matlab平台生成所需的结构光数据，然后，通过WiFi通信接口或可移动设备，将结构光图案数据，存储在嵌入式系统中的FLASH存储器中，嵌入式处理器控制主控投影芯片调取图像信息，以高速的频率刷新将图案投影显示出来。并精准控制图像采集摄像头的采集触发，以清晰采集由投影机投影的每幅系列条纹图纹,并传输至嵌入式处理器，进行数据处理和三维重构，存储数据，同时，在配置的 LCD 上显示目标物体的三维形貌。