7123 (高速RGB数字模拟转换 器（DAC))以及EPCS16(串行FLASH存储器）。它们都直接连接在FPGA芯片上。ADV7123 是实现高速投影的关键器件，其中有三个10比特精度的视频DAC通道，它们各自用来实现 RGB数字信号三个通道的数模转换。采用ADV7123来产生VGA格式的视频信号，从而提供 修改后的商用DLP投影仪2的投影图像信号。图像发生与同步电路1采用PL2303 (串口转 USB芯片）进行了电平协议转换，并连接计算机7的USB接口实现相互通信，SDRAM与SRAM 用于提供图像发生与同步电路1的数据存储空间，EPCS16(串行FLASH存储器）用于固化 图像发生与同步电路1的用户逻辑，实现上电自启动。FPGA的用户IO用于产生修改后的 商用DLP投影仪2的同步信号以及高速摄像机6的同步信号。因此，图像发生与同步电路 1所实现的功能主要有三个：提供修改后的商用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。
[0022] 结合图4,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的内容如 下。
[0023] 第一步：首先确定需要投影的光栅条纹信号（灰度图像）。这里以N幅条纹为例， 分别记作II，12,13,…，IN。这N幅光栅条纹信号可实现一次三维重构，光栅条纹信号II， 12, 13,…，IN的具体灰度图像一般为频率不同的正弦条纹（如图4)，也可以是其它图案。
[0024] 第二步：计算N与3的最小公倍数M = LCM (N，3)，这里LCM代表求最小公倍数，此 时K = M/N即为循环投影数。
[0025] 第三步，将II，12,13，…，IN，循环写K次形成一个图像序列。然后以3幅图像为 一组，合成一幅彩色图像，即II，12, 13分别以R，G，B分量合成一副彩色图像1123, 14, 15， 16分别以R，G，B分量合成一副彩色图像1456,依次类推。这样就完成了投影图像信号的预 先设定，最后获得所需要的投影图像信号共计M/3幅。
[0026] 为了具体说明上述步骤，图4给出了一个具体的例子，如我们所需要投影的光栅 条纹信号（灰度图像）为II，12, 13, 14四幅光栅条纹信号。4与3的最小公倍数为12,所 以循环投影数K = 12/4 = 3,所以把II，12, 13, 14循环写三次：即II，12, 13, 14, II，12， 13, 14, II，12, 13, 14
[0027] 然后三幅图像为一组合成，最后生成图像为1123, 1412, 1341，1234共计4幅彩色 图像，这即为所需要的投影图像信号。
[0028] 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。结合图5, VGA信号的格式除了红绿蓝三路图像信号外，其关键信号在于水平同步 (HSYNC)与垂直同步（VSYNC)。水平同步是用来表示新一行的开始，垂直同步则是用来指明 新一帧的开始。其中信号的关键参数TS，TDP，TPW，TFP，TBP的含义如图5所示。为了能同 步投影仪且让其正确投射光栅条纹，设计的VGA信号必须遵守一些工业标准。考虑到所用 的投影仪的最大投影速率和分辨率，本发明采用分辨率800X600,频率120Hz的工业标准 VGA信号格式。800X600 120Hz VGA时序信号表如表1所示。其列出了水平同步（HSYNC) 与垂直同步（VSYNC)两个关键信号的频率，极性以及TS，TDP，TPW，TFP，TBP这些关键参数的 时间间隔。一般而言，由于选用的是光栅条纹为横/竖光栅条纹，其每一列/行的像素都是 一样的。所以实际上在FPGA芯片中只需要存储一行光栅条纹的像素即可，投影时，只需将 这一行像素重复投满一帧即可。
[0029]表 L 800X600 120Hz VGA 时序信号表
[0031] 第三部分，图像发生与同步电路1的同步时序设计。图像发生与同步电路1除了 要完成光栅条纹的生成和传输外，它还必须完成改进DLP投影仪2与彩色摄像机5,高速摄 像机6之间的同步，这些是通过FPGA的用户IO 口控制实现的。为了能够让高速摄像机6 完整无误的采集到每一帧投影图像，必须严格控制改进DLP投影仪2与高速摄像机6之间 的时序与CCD的曝光时间，使得投影仪的一个图像投影周期完整无误的包括在CCD的曝光 时间中。
[0032] 商用DLP投影仪的投影时序一般如下：工作频率是120Hz，即8. 335ms -个循环周 期，其中绿色通道占用1.7ms，蓝色通道占用1.5ms，红色通道占用2ms，信号间具体关系见 图6所示的投影仪时序一行。因此，采用VSYNC信号取反作为改进DLP投影仪2的同步信 号以及彩色摄像机5的同步信号，而高速摄像机6的同步信号分别在投影图像信号每个分 量通道（绿，蓝，红）初始时产生一个脉冲即可（合计3个），其余时间保持为低电平。改进 DLP投影仪2的同步信号以及彩色摄像机5的同步信号均为120Hz，而高速摄像机6的同步 信号为360Hz，高速摄像机6的曝光时间设为2ms。通过该时序，投影仪即可以高达360Hz 实现高速条纹投影，高速摄像机亦可以同步采集到相对应360Hz条纹信号，同时彩色摄像 机可同时以120Hz获取待测物体的纹理信息。
[0033] 图7是采用本发明方法构建的高速相机采集到的四幅光栅条纹图像，高速相机工 作频率为360Hz。该结果说明本发明可有效实现高速光栅条纹投影，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。
【主权项】
1. 一种基于DLP投影仪的快速条纹投影系统，其特征在于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)，图像发生与同步电路（1)连接改进DLP投影仪（2)，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（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；其中该改进DLP投影仪（2)的光轴与高速 摄像机（6)水平放置。2. 根据权利要求1所述的基于DLP投影仪的快速条纹投影系统，其特征在于改进DLP 投影仪（2)的光轴与高速摄像机（6)的光轴夹角为5° -40°。3. 根据权利要求1所述的基于DLP投影仪的快速条纹投影系统，其特征在于彩色摄像 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〇4. 根据权利要求1所述的基于DLP投影仪的快速条纹投影系统，其特征在于改进DLP 投影仪⑵包括灯泡（8)、冷凝镜头（9)、调整镜头（10)、DMD(11)和投影镜头（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(11)，经过 DMDll调制后最后经过投影镜头（12)投影成像；同时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DMD(Il)以脉宽调制的形式显示出来。5. 根据权利要求1所述的基于DLP投影仪的快速条纹投影系统，其特征在于图像发生 与同步电路（1)由FPGA及其外围电路组成，该外围电路包括用户10、静态存储器SRAM、动 态存储器SDRAM、串口转USB芯片PL2303、高速RGB数字模拟转换器DAC以及串行FLASH存 储器，它们都直接连接在FPGA芯片上；高速RGB数字模拟转换器用来产生VGA格式的视频 信号，从而提供改进DLP投影仪（2)的投影图像信号；串口转USB芯片进行电平协议转换， 并连接计算机（7)的USB接口实现相互通信，SDRAM与SRAM提供数据存储空间，串行FLASH 存储器用于固化用户逻辑，实现上电自启动，用户IO产生改进DLP投影仪（2)的同步信号 以及高速摄像机（6)的同步信号。6. 根据权利要求5所述的基于DLP投影仪的快速条纹投影系统，其特征在于确定图像 发生与同步电路（1)所需要的投影图像信号过程为：首先确定需要投影的光栅条纹信号， 即灰度图像，以N幅条纹为例，分别记作II，12,13,…，IN;其次，计算N与3的最小公倍数 M=LCM(N，3)，LCM代表求最小公倍数，此时K=M/N即为循环投影数；将II，12, 13，…， IN，循环写K次形成一个图像序列，然后以3幅图像为一组，合成一幅彩色图像，即II，12， 13分别以R，G，B分量合成一副彩色图像1123, 14, 15, 16分别以R，G，B分量合成一副彩色 图像1456,依次类推，这样就完成了投影图像信号的预先设定，最后获得所需要的投影图像 信号共计M/3幅。7. 根据权利要求5所述的基于DLP投影仪的快速条纹投影系统，其特征在于将图像发 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投影仪时，VGA信号采用 分辨率800X600,频率120Hz的工业标准VGA信号格式，在FPGA中存储一行光栅条纹的像 素即可，投影时，将这一行像素重复投满一帧即可。8.根据权利要求5所述的基于DLP投影仪的快速条纹投影系统，其特征在于图像发生 与同步电路（1)的同步时序设计过程为：采用VSYNC信号取反作为改进DLP投影仪（2)的 同步信号以及彩色摄像机（5)的同步信号，而高速摄像机（6)的同步信号分别在投影图像 信号每个分量通道绿，蓝，红初始时产生一个脉冲。
【专利摘要】本发明公开了一种基于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。本发明采用FPGA直接为其提供高速投影视频信号，并设计时序使CCD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。
【IPC分类】G01B11/25
【公开号】CN105180838
【申请号】CN201510631960
【发明人】左超, 陈钱, 冯世杰, 陶天阳, 顾国华, 张玉珍, 孙佳嵩, 张良, 笪健, 胡岩, 李加基, 张佳琳, 孔富城, 张敏亮, 范瑶, 林飞
【申请人】南京理工大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年9月29日