专利名称：面阵投影自同步光路旋转三维成像的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种光学技术领域的成像方法，具体是一种面阵投影自同步光路旋转三维成像的方法。
背景技术：
采用基于光路旋转方式的光学三维成像技术因其能够在较近的距离上对较大的目标进行非侵犯性的三维成像，有着广泛的应用背景。然而，为了实现光路旋转的大范围三维成像，目前通常采用以下几种方法并存在各自的问题(1)采用基于点激光投影的自同步扫描三维成像技术，由于采用的是点投影的方式，成像效率很低，当要求提高成像效率时，系统成本会变得非常高；(2)采用基于线激光投影的同步扫描三维成像技术，由于采用的是线投影的方式，同样成像效率低，当要求提高成像效率时，系统成本会变得很高；(3)采用基于多激光片投影的同步扫描三维成像技术，存在投影光条纹无法进行编码，计算机对其变形后的投影光条纹识别和区分存在很大困难。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开(公告)号CN1737642的发明专利“基于面阵投影的同步扫描双目视觉三维成像的方法”，虽然采用了面阵投影的同步扫描方式，但是在实际应用中发现，由于摆镜转动惯量很大，电机与摆镜转轴的传动连接处不可避免地存在间隙，旋转角度的控制困难，三维成像精度较低；同时也导致摆镜正反转时，两端各自存在不平稳期，故这两部分数据往往需要剔除；并且，三维成像的有效视场两端所覆盖的视场无法实现累积细分的目标，因此该三维成像方法沿被测物体纵向视场两端的三维成像解析度较低，即大视角三维成像解析度不均匀；此外，该方法仅能在一个方向上实现大视角，尚未实现大视场三维成像。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种面阵投影自同步光路旋转三维成像的方法，通过双面镜和摆镜旋转反射来获取若干个由面阵投影装置的投影光路和二维成像装置的接收光路交汇而成的局部有效视场，使其实现对被测物体的大视场三维成像，双面镜和摆镜的转动惯量小，控制精度高，可用于设计和制造高性能、低成本、占用空间小的大视场三维面形传感器。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用的是面阵投影自同步光路旋转的方式，面阵投影装置的投影光条纹方向、二维成像装置的成像扫描方向和双面镜的旋转中心线三者方向一致，通过双面镜和摆镜旋转反射来获取若干个由面阵投影装置的投影光路和二维成像装置的接收光路交汇而成的局部有效视场，在局部有效视场内二维成像装置摄取图像时，满足避免成像运动型模糊的条件，利用光学成像的手段，获得若干个局部有效视场的三维成像数据，通过累积获得大视场三维成像的数据。
以下对本发明作进一步的描述，具体步骤如下1)在面阵投影装置经双面镜、反射镜A和摆镜反射后的投影光路与二维成像装置经摆镜、反射镜B和双面镜反射后的接收光路交汇而成的局部有效视场内，计算机控制面阵投影装置向被测物体投影带有编码信息的投影光条纹，二维成像装置摄取场景图并存入计算机；2)计算机控制电机驱动单元，电机驱动单元分别控制电机A和电机B旋转，从而移动面阵投影装置经双面镜、反射镜A和摆镜反射后的投影光路与二维成像装置经摆镜、反射镜B和双面镜反射后的接收光路交汇而成的局部有效视场；3)重复1)、2)的步骤，累积各个局部有效视场实现对被测物体的覆盖。
本发明根据需要，双面镜、摆镜和反射镜A的宽度尺寸均大于等于面阵投影装置的投影光路在平行双面镜旋转中心线方向上设定的视场与前三者相截的宽度。
本发明可根据需要，双面镜、摆镜和反射镜B的宽度尺寸均大于等于二维成像装置的接收光路在平行双面镜旋转中心线方向上设定的视场与前三者相截的宽度。
本发明中满足避免成像运动型模糊的条件是指二维成像装置摄取图像的一个最短周期中，在二维成像装置的接收光路与面阵投影装置的投影光路交汇而成的有效视场内，空间任一物点在二维成像装置成像面上对应像点的位移量小于半个像素。
本发明根据需要采用二维成像装置摄取图像时，双面镜和摆镜保持静止，面阵投影装置投影静止或者移动的投影光条纹，接着双面镜和摆镜旋转移动局部有效视场的方式。
本发明根据需要采用二维成像装置摄取图像时，面阵投影装置投影静止的投影光条纹，双面镜和摆镜分别各自旋转移动局部有效视场的方式。
本发明根据需要采用二维成像装置摄取图像时，面阵投影装置投影静止的投影光条纹，双面镜和摆镜一起旋转移动局部有效视场的方式。
与现有技术相比，本发明集成了面阵投影光学成像技术与自同步光路旋转技术，提高了光路旋转的控制精度，大幅增加了三维成像的视场范围，应用范围广，且系统的三维成像精度大幅提高。
图1为本发明的基本原理示意图。
图2为本发明的移动局部有效视场的原理示意图。
具体实施例方式
为了更好的理解本发明的技术方案，以下结合附图和实施实例作进一步的详细描述。
如图1、图2所示，面阵投影装置与二维成像装置正对，在两者中间是由电机A控制旋转的双面镜。面阵投影装置的投影光条纹方向、二维成像装置的成像扫描方向和双面镜的旋转中心线三者方向一致。本发明中的面阵投影装置是普通的面阵投影装置，如液晶投影仪等，其投影方式采用现有任意一种带有编码信息的二维面阵投影光技术，例如光栅投影、傅立叶投影、彩色结构光投影等；二维成像装置采用的是现有任意一种二维面阵成像技术，例如二维CCD摄像机等；因此本发明在局部有效视场内三维成像可采用相位测量法、三角测量法等方法。双面镜为普通双面镜，可根据需要涂增透膜。电机A采用的是普通电机，如步进电机、直流电机、带减速箱的步进电机或带减速箱的同步电机等，由电机驱动单元控制。电机驱动单元与其相应的电机配套，是步进电机驱动器、直流电机驱动器或同步电机驱动器等，并与计算机相连接。
面阵投影装置经双面镜、反射镜A和摆镜反射的投影光路与二维成像装置经双面镜、反射镜B和摆镜反射的接收光路交汇形成局部有效视场。计算机控制面阵投影装置向被测物体投影带有编码信息的投影光条纹，二维成像装置摄取场景图并存入计算机。摆镜为普通平面镜，可根据需要涂增透膜。摆镜由电机B控制其旋转，电机B采用的是普通电机，如步进电机、直流电机、带减速箱的步进电机或带减速箱的同步电机等，由电机驱动单元控制。电机驱动单元与其相应的电机配套，是步进电机驱动器、直流电机驱动器或同步电机驱动器等，并与计算机相连接。
计算机控制电机驱动单元，电机驱动单元分别控制电机A和电机B旋转，从而移动局部有效视场。
在局部有效视场内二维成像装置摄取图像时满足避免成像运动型模糊的条件，即二维成像装置摄取图像的一个最短周期中，在二维成像装置的接收光路与面阵投影装置的投影光路交汇而成的有效视场内，空间任一物点在二维成像装置成像面上对应像点的位移量小于半个像素。通过累积若干个局部有效视场的三维成像数据，获得大视场三维成像的数据，其具体的大视场三维成像方式包括二维成像装置摄取图像时，双面镜和摆镜保持静止，面阵投影装置投影静止的投影光条纹，接着双面镜和摆镜旋转移动局部有效视场；二维成像装置摄取图像时，双面镜和摆镜保持静止，面阵投影装置投影移动的投影光条纹，接着双面镜和摆镜旋转移动局部有效视场；二维成像装置摄取图像时，面阵投影装置投影静止的投影光条纹，双面镜和摆镜分别各自旋转移动局部有效视场；二维成像装置摄取图像时，面阵投影装置投影静止的投影光条纹，双面镜和摆镜一起旋转移动局部有效视场等方式。
由于双面镜和摆镜的转动惯量较小，旋转平稳，角度控制精度高，当双面镜和摆镜设计最大旋转角度量程为36度，本发明在两个方向上设定的视场角均达到72度。本发明采用二维成像装置摄取图像时，双面镜和摆镜保持静止，面阵投影装置投影移动的面阵投影光条纹，接着移动局部有效视场，且每个局部有效视场重叠区域不大于局部有效视场范围的百分之十五，对距离双面镜前方1米被测物体三维成像，在10秒钟以25个局部有效视场完成对72度×72度大视场范围的覆盖，三维成像测量精度≤0.5mm，空间三维分辨率均匀且高达0.75mm。
权利要求
1.一种面阵投影自同步光路旋转三维成像的方法，其特征在于，采用的是面阵投影自同步光路旋转的方式，面阵投影装置的投影光条纹方向、二维成像装置的成像扫描方向和双面镜的旋转中心线三者方向一致，通过双面镜和摆镜旋转反射来获取若干个由面阵投影装置的投影光路和二维成像装置的接收光路交汇而成的局部有效视场，在局部有效视场内二维成像装置摄取图像时满足避免成像运动型模糊的条件，利用光学成像的手段，获得若干个局部有效视场的三维成像数据，通过累积获得大视场三维成像的数据。
2.根据权利要求1所述的面阵投影自同步光路旋转三维成像的方法，其特征是，包括如下步骤1)在面阵投影装置经双面镜、反射镜A和摆镜反射后的投影光路与二维成像装置经摆镜、反射镜B和双面镜反射后的接收光路交汇而成的局部有效视场内，计算机控制面阵投影装置向被测物体投影带有编码信息的投影光条纹，二维成像装置摄取场景图并存入计算机；2)计算机控制电机驱动单元，电机驱动单元分别控制电机A和电机B旋转，从而改变面阵投影装置经双面镜、反射镜A和摆镜反射后的投影光路与二维成像装置经摆镜、反射镜B和双面镜反射后的接收光路交汇而成的局部有效视场；3)重复1)、2)的步骤，累积各个局部有效视场实现对被测物体的覆盖。
3.根据权利要求2所述的面阵投影自同步光路旋转三维成像的方法，其特征是，双面镜、摆镜和反射镜A的宽度尺寸均大于等于面阵投影装置的投影光路在平行双面镜旋转中心线方向上设定的视场与前三者相截的宽度。
4.根据权利要求2所述的面阵投影自同步光路旋转三维成像的方法，其特征是，双面镜、摆镜和反射镜B的宽度尺寸均大于等于二维成像装置的接收光路在平行双面镜旋转中心线方向上设定的视场与前三者相截的宽度。
5.根据权利要求1所述的面阵投影自同步光路旋转三维成像的方法，其特征是，所述的满足避免成像运动型模糊的条件，是指二维成像装置摄取图像的一个最短周期中，在二维成像装置的接收光路与面阵投影装置的投影光路交汇而成的有效视场内，空间任一物点在二维成像装置成像面上对应像点的位移量小于半个像素。
6.根据权利要求1或者2或者5所述的面阵投影自同步光路旋转三维成像的方法，其特征是，二维成像装置摄取图像时，双面镜和摆镜保持静止，面阵投影装置投影静止或者移动的投影光条纹，接着双面镜和摆镜旋转移动局部有效视场的方式。
7.根据权利要求1或者2或者5所述的面阵投影自同步光路旋转三维成像的方法，其特征是，二维成像装置摄取图像时，面阵投影装置投影静止的投影光条纹，双面镜和摆镜分别各自旋转移动局部有效视场的方式。
8.根据权利要求1或者2或者5所述的面阵投影自同步光路旋转三维成像的方法，其特征是，二维成像装置摄取图像时，面阵投影装置投影静止的投影光条纹，双面镜和摆镜一起旋转移动局部有效视场的方式。
全文摘要
一种光学技术领域的面阵投影自同步光路旋转三维成像的方法，采用的是面阵投影自同步光路旋转的方式，面阵投影装置的投影光条纹方向、二维成像装置的成像扫描方向和双面镜的旋转中心线三者方向一致，通过双面镜和摆镜旋转反射来获取若干个由面阵投影装置的投影光路和二维成像装置的接收光路交汇而成的局部有效视场，在局部有效视场内二维成像装置摄取图像时满足避免成像运动型模糊的条件，利用光学成像的手段，获得若干个局部有效视场的三维成像数据，通过累积获得大视场三维成像的数据。本发明通过旋转移动局部有效视场的方法，实现对被测物体的大视场三维成像，可用于设计和制造高性能、低成本、占用空间小的大视场三维面形传感器。
文档编号G06T17/00GK1844970SQ20061002643
公开日2006年10月11日 申请日期2006年5月11日 优先权日2006年5月11日
发明者陈亚珠, 程胜 申请人:上海交通大学