一种基于dlp投影仪的快速条纹投影系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于三维光学测量系统，特别是一种基于DLP投影仪的快速条纹投影系 统。
【背景技术】
[0002] 三维扫描（又称为三维测量）技术总体上可分为接触式与非接触两大类， 扫描机理包括有光、机、电、磁、声等（刘利.三维测量技术新动态[J].机电一体 化，1997,（I) :20-23.)。接触式三维扫描中的典型代表三坐标测量机是近三十年发展起来 的一种高效率的新型精密仪器，广泛地应用于航空航天、电子消费品、汽车和机械制造等 工业领域。传统的接触式三维扫描仪大多采用机械的探针触发式测头进行扫描，通过程序 的编写来规划扫描的路径并进行各个点的位置的精确扫描。三坐标测量机的优点是测量精 度高，但是它的造价非常昂贵，结构比较庞大，对环境要求相对较高，测量速度慢，尤为 重要的是某些物体不允许被接触，例如某些易坏的文物，柔软的组织等等。非接触的测量法 则弥补了这一缺点。光学式三维（以光学三角法为代表）扫描时，传感器无需和物体直接 接触，可以避免探测针对物体（例如贵重文物）表面的损伤，减少探测针对物体表面施加 的压力从而使物体表面发生形变，这对扫描非刚性物体来说至关重要（邵双运.光学三维 测量技术与应用[J].现代仪器，2008,（3): 10-13)。由于可以在离待测物较远的位置放置 传感器，且测量的速度相对较快，所以此方法特别适合在线实时检测和对危险区域进行测 量。在众多非接触三维扫描方法中，最具代表性的方法是基于结构光投影的方法，其原理是 采用不同的投射装置向被测物体投射不同种类的结构光，同时拍摄经被测物体表面调制而 发生变形的结构光图像，然后从携带有被测物体表面三维形貌信息的图像中计算出被测物 体的三维形貌数据。由于结构光投影具有结构简单、点云重建效率高等优点，故在机器视 觉、工业自动化加工检测和实物仿型、逆向工程及文物遗产保护等领域展现出了强大的生 命力和巨大的应用潜力。
[0003] 虽然结构光三维测量技术本身已经较为成熟，但目前商品化的结构光三维测量系 统，单幅测量时间普遍超过了 2秒，甚至需要数十秒以上。这样的测量速度，使其难以对于 动态物体或者变化场景进行实时三维测量。然而，在诸如工业生产流水线上产品质量的在 线检测、压模件尺寸监测、冲压板几何形状和形变检测、机车冲撞试验、压力波传播、不连续 边界的应力集中、智能机器人运动控制、汽车制导中障碍检测、流体力学、流程可视化、运动 力学、弹道学、高速旋转等这样一些动态过程需要对观察对象进行三维面形实时测量。这些 动态过程的三维测量将有助于描绘和分析动态过程中物体表面形态的变化，并进一步提取 与被测物体相关的结构、形变、应力等物理参数，在科学研究和工程应用领域具有重要意义 (吴春才，苏显渝.动态过程的三维面形测量[J].光电子：激光，1996,（5) :273-278.)。 此外，高速，高分辨率成像与投影器件的迅速发展也催使人们将视野从二维高速成像转向 了三维快速传感领域。高速三维形貌测量可以满足从高新技术领域（如冲击、爆轰、弹道飞 行等）到一般民用的技术领域（如实验力学、材料力学、生物医学、高速旋转物体、瞬态过程 等）的动态领域分析需要，具有重要的科学意义和广阔的应用背景。因此，必须将结构光三 维测量系统进行高速化。
[0004] 想要实现快速三维测量，必须实现快速条纹投影，如基于四幅光栅条纹图像的相 位求解与去包裹方法（国家发明专利，201410027275. 4)所述，快速三维测量需要尽可能 快地向待测场景投射条纹图案，然后通过采集被物体反射的条纹图案求解相位，再通过系 统标定后就可最后转换为三维数据。在此过程中，快速条纹投影是实现快速三维测量的基 础与根本前提，而投影仪是实现快速条纹投影的关键部件。传统商业投影仪一般包括两个 重要组成部件：一块数字微透镜阵列器件（DMD)芯片和一个色轮（彩色滤镜）。传统商用 DLP(Digital Light Procession)投影仪的工作原理如图2所示。数字微透镜阵列器件上 共有数十万个小反射镜，每个镜子代表一个像素，每一个小反射镜都具有独立控制光线的 开关能力。小反射镜反射光线的角度受视频信号控制，视频信号受数字光处理器DLP调制， 把视频信号调制成等幅的脉宽调制信号，用脉冲宽度大小来控制小反射镜开、关光路的时 间，在屏幕上产生不同亮度的灰度等级图像。DLP投影仪能够产生色彩是由于放在光源路径 上的色轮，DLP视频处理器将要显示的彩色图像分成RGB三幅单色图像来顺序显示，其中这 利用了由DMD显示的RGB图像与旋转色轮的同步。传统商用DLP投影仪色轮正常工作频率 是120Hz，并且划分为红、绿、蓝、青，黄，白六个区域。其中青、黄是为了增加色彩的对比与饱 和。白色区域是为了增加图像的整体亮度。DMD与色轮直接的同步是由一个频率为120Hz 的同步信号实现的，这个信号时由色轮里面一个光电二极管产生的。人眼的视觉暂留现象 则会把这些顺序投影的单色图像重组为彩色图像。
[0005] 通过上述背景介绍，我们可以知道传统商业投影仪最快投影频率为120Hz。此外， 即使这样，现有三维测量系统也很难达到这样的投影速度。根本原因是现有的三维测量系 统一般仅仅直接将投影仪作为计算机的一个屏幕，通过在计算机上显示所需投影的条纹图 案来达到条纹投影的目的（潘伟，赵毅，阮雪榆.采用光栅投影的三维测量方法[J].光 电工程，2003, 02期（2) :28-31.)。计算机上显示所需投影的条纹图案一般由软件控制，切 换速度一般在毫秒级甚至毫秒级，这就极大地限制了条纹投影的速度。这是导致目前商品 化的结构光三维测量系统难以对于动态物体或者变化场景进行实时三维测量。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种基于DLP投影仪的快速条纹投影系统，能够实现高达 360Hz的高速条纹投影。
[0007] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于DLP投影仪的快速条纹投影系统， 包括图像发生与同步电路、改进DLP投影仪、待测物体、分光镜、彩色摄像机、高速摄像机、 计算机，图像发生与同步电路连接改进DLP投影仪，为其提供投影图像信号与同步信号，同 时图像发生与同步电路还连接彩色摄像机与高速摄像机，并为它们分别提供同步信号；改 进DLP投影仪向待测物体投出指定的光栅条纹，经过待测物体反射的光线被分光镜一分为 二，分别被彩色摄像机与高速摄像机所拍摄，图像信号分别传输入计算机进行处理分析；其 中该改进DLP投影仪的光轴与高速摄像机水平放置。
[0008] 本发明与现有技术相比，其显著优点：（1)对商用DLP投影仪进行改进，并采用 FPGA直接为其提供高速投影视频信号，并设计时序使C⑶相机与投影仪之间达到同步，即 可实现高达360Hz的高速条纹投影与采集。（2)仅需要传统商用DLP投影仪进行改装即可 实现高达360Hz的高速条纹投影，非常适用于对于动态物体或者变化场景进行实时三维测 量。而传统三维测量系统中的条纹投影速度仅仅为几 Hz，难以实现实时三维测量。（3)本 发明所提出的系统成本低廉，实现方便，且可同时获取待测物体的纹理信息。
[0009] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明基于DLP投影仪的快速条纹投影系统结构示意图。
[0011] 图2是改进DLP投影仪的内部结构原理图。
[0012] 图3是图像发生与同步电路的硬件模块图。
[0013] 图4是本发明中改进DLP投影仪投影的基本原理示意图。
[0014] 图5是VGA时序信号原理示意图。
[0015] 图6是本发明基于DLP投影仪的快速三维测量的时序图。
[0016] 图7是本发明高速相机采集到的四幅光栅条纹图像。
【具体实施方式】
[0017] 结合图1，本发明基于DLP投影仪的快速条纹投影系统包括图像发生与同步电路 1、改进DLP投影仪2、待测物体3、分光镜4、彩色摄像机5、高速摄像机6、计算机7,该图像 发生与同步电路1连接改进DLP投影仪2,为其提供DLP投影仪的投影图像信号与同步信 号。此外，图像发生与同步电路1还连接彩色摄像机5与高速摄像机6,并为它们分别提供 同步信号。改进DLP投影仪2向待测物体3投出指定的光栅条纹，经过待测物体3反射的 光线被分光镜4 一分为二，分别被彩色摄像机5与高速摄像机6所拍摄，图像信号分别传输 入计算机7进行处理分析。改进DLP投影仪2的光轴与高速摄像机6水平放置，它们的光 轴夹角在5° -40°之间。彩色摄像机5具备外同步功能，帧频需大于120Hz。彩色摄像机 6具备外同步功能，帧频需大于360Hz。
[0018] 结合图2,改进DLP投影仪2是基于传统商用DLP投影仪改装而来。其主要包括灯 泡8,冷凝镜头9,调整镜头10, DMDll与投影镜头12。灯泡8发出的光经过冷凝镜头9后 将光均匀化后，直接调整镜头10成像在DMDll上，经过DMDll调制后最后经过投影镜头12 投影成像。此外，还需利用图像发生与同步电路1产生一个120Hz的同步信号给改进DLP 投影仪2,这样改进DLP投影仪2在接收到这个同步信号后，就会顺序地将下一帧视频信号 通过DMDll以脉宽调制的形式显示出来。
[0019] 如【背景技术】所示所述，商用DLP投影仪收到同步信号后，即将所输入的投影图像 信号（彩色图像）分成RGB三幅单色图像来顺序显示。所以在快速三维测量中，DLP投影 仪必须高速地按顺序反复投影多幅光栅条纹，因此必须产生相对应的循环往复的多幅光栅 条纹送入DLP投影仪，作为其投影图像信号。DLP投影仪接收到了该视投影图像信号，且收 到同步信号后，这几幅光栅条纹就能被DLP投影仪视频处理系统解码，然后以正确的顺序 将它们投出。然而如【背景技术】中所述，将投影仪作为普通计算机的一个显示器，直接通过计 算机去控制条纹投影（潘伟，赵毅，阮雪榆.采用光栅投影的三维测量方法[J].光电工 程，2003, 02期（2) :28-31.)，这样条纹的切换的速度远远达不到技术使用的要求。因此这 里需要图像发生与同步电路1直接为DLP投影仪提供投影图像信号。
[0020] 图像发生与同步电路1为了实现以下功能：提供改进DLP投影仪2的投影图像信 号；提供彩色摄像机5的同步信号；提供高速摄像机6的同步信号，需要确定以下内容，BP 第一部分：确定图像发生与同步电路1所需要的投影图像信号；第二部分：将图像发生与同 步电路1所需要的投影图像信号以VGA形式发送给DLP投影仪；第三部分：图像发生与同步 电路1的同步时序设计。
[0021] 结合图4,图像发生与同步电路1主要包括FPGA芯片（型号可以但不仅限于 Cyclone货IV EP4CE15)及其相应的外围电路，外围电路主要包括用户10、SRAM(静态存储 器）、SDRAM(动态存储器）、PL2303 (串口转USB芯片）、ADV