CN103528518A - 一种闪频激光散斑三维目标获取系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种闪频激光散斑三维目标获取系统及方法。包括同步控制单元、散斑生成单元、图像采集单元和图像处理单元；散斑生成单元包括脉冲光源和衍射元件，用以产生随机分布的散斑图案并投射到被测物体上；同步控制单元控制散斑生成单元与图像采集单元同步工作；图像采集单元将采集到得图像数据传递给图像处理单元。本发明提供了一种能消除采集信息相对恒定的环境光成分，从而提高信号的信噪比的闪频激光散斑三维目标获取系统及方法。

Description

一种闪频激光散斑三维目标获取系统及方法

技术领域

本发明属于激光信息处理领域，涉及一种目标获取方法，尤其涉及一种闪频激光散斑三维目标获取系统及方法。

背景技术

三维目标物体在光照条件下会对光进行调制，三维目标获取技术就是通过对光信号进行处理，解调出物体的三维信息。光学三维目标获取的方法是非接触测量，具有速度快，精度高的优点，可应用于机器视觉、工业制造、三维建模和人体姿态跟踪等领域。三维信息获取的方法有主动光方法和被动光方法两种。主动光方法是通过向被测目标投射结构光（即光强分布有一定规律的光场），而被动光方法则是利用被测目标对自然光的反射和散射。主动光方法可以通过投射特定波长和特定结构的光，区别于杂乱无规则的环境光，因此，可以消除环境光的干扰。主动光方法可在多种环境光条件下工作，如室内，夜间等，具有工作可靠、适应性强的优点。

主动光测量技术中，光源经过光学系统投射出各种图案，有一维图案（如条纹，一维点阵）和二维图案（如棋盘格和二维点阵等）两种，这些图案通常是规则的、周期性的，图案的分布有规律性和重复性。这类图案的产生机理比较简单，可以利用计算机软件生成图案，然后通过投影模块投射出去。但这种方法的缺点是投射系统的结构复杂，需要有图样生成单元（如计算机）和投影单元（如投影仪）两部分，而且周期性（在一维或二维方向上）图样在解调时会产生包裹问题。因此，人们后来又提出了利用随机散斑图案。随机散斑是由光源（通常为相干光源）将光投射到光学衍射元件（如光栅、全息板）上，然后在衍射元件后面的远场形成的。这些散斑图案中的光斑在空间位置上是完全随机分布的，因此，对这样的散斑图进行图像处理时不会出现包裹问题。而且，投射单元只有衍射光学元件，可以和光源集成到一起，使得结构非常简单，可实现小型化、模块化。

现有激光散斑三维目标获取技术，在室内光线条件下可以正常工作，但在一些自然光照比较强的场景中，环境光会对主动光产生干扰，使得设备无法正常工作。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种闪频激光散斑三维目标获取系统及方法，可有效的提高了信号的信噪比。

本发明的技术方案是：

一种闪频激光散斑三维目标获取系统，其特殊之处在于：包括同步控制单元、散斑生成单元、图像采集单元和图像处理单元；

上述散斑生成单元包括脉冲光源和衍射元件，用以产生随机分布的散斑图案并投射到被测物体上；

上述同步控制单元控制散斑生成单元与图像采集单元同步工作；

上述图像采集单元将采集到得图像数据传递给图像处理单元；

上述脉冲光源发出的脉冲为周期性光脉冲；

上述图像采集单元包括CCD相机和衰减片。

一种闪频激光散斑三维目标获取方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】设置散斑生成单元的总触发信号为一个周期为T的脉冲序列；将散斑生成单元中光源的调制频率设为fs；

2】步骤1】完成后，散斑生产单元产出随机分布的散斑图案，投射到被探测的目标上；

3】通过同步控制单元的控制，在步骤2】的同时，图像采集单元将投射到目标上的散斑图案采集下来，并将数据传送送到图像处理单元进行处理；

3.1]图像采集单元按照光源调制频率的时间周期整数倍进行采样；

4】图像处理单元将采集到得散斑图案数据和系统中预先存储的参考图案数据进行相关比较，即可获取目标的三维信息。

本发明的有益效果是：

本发明通过对主动光进行调制，使其以一定的频率进行闪烁照明，在光电探测器部分，也以同样的频率进行探测，从而可以去除相对稳定的环境光干扰。本发明的闪频测量技术是将光源进行调制，使其成为周期性的光脉冲信号，在探测部分也以同样的频率进行信号采集，这样就可以消除相对恒定的环境光成分，从而提高信号的信噪比，使系统可在各种光照条件下能正常工作。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图；

图2是本发明散斑生成模块结构示意图；

图3是本发明同步控制信号时序示意图；

图3（a）系统总触发信号示意图；

图3（b）图像采集单元控制信号示意图；

图3（c）CCD相机控制信号示意图；

图3（d）光源控制信号示意图；

图4环境光去除原理示意图。

具体实施方式

参见图1-4，在图1所示的系统中，同步控制单元按图3所示时序对系统进行控制。系统总触发信号（图3（a））是一个周期为T的脉冲序列。系统开始工作时，总触发信号首先启动，同时启动图像采集单元控制信号（图3（b）），在经过延时τ后，启动CCD相机控制信号（图3（c）），同时光源控制信号（图3（d））也开始工作。对于本身具有同步信号接口的CCD相机，则不需要图像采集单元控制信号，可直接用同步信号控制CCD相机的工作。

由于CCD相机同步控制信号和光源控制信号同时启动工作，而且它们的周期也相同，所以在这种工作方式下，散斑的出现和图像采集是同步进行。采集到的图像，在时域上通过滤波，即可去除环境光。

当图像采集单元对目标物体进行成像时，目标物体上的光场Io是由两部分光叠加而成，即环境光Ie和散斑光Is，如图4所示。环境光由目标物体所处的环境光场决定，散斑光是有散斑生成单元产生，然后投射到被测目标上。环境光场的强度Ie通常是相对稳定的，而散斑光Is则是经过调试后周期性变化的。如前所述，图像采集单元也是以与光源相同的周期同步进行图像采集。这样，通过滤波的方式，即可去除环境光的成分，而只保留散斑光的信号。

在实际的系统中，CCD相机的感光动态范围是有限的，当目标所处的环境中环境光太强时，会出现感光饱和现象，在这种情况下，相机对其他光无法探测。所以，在强光环境下，需增加衰减片，将环境光进行衰减，或者使相机工作在自动增益调节（AGC）的状态下。

由于CCD相机的采用速率有限，特别是高分辨率相机，采用频率往往只有几十帧/秒，而光源的调制频率则可以达到几KHz。所以，直接按调制频率采样，有时是不太现实的。对于这一问题，可以采用欠采样技术，即我们可以按调制频率的谐波频率来采样，如果调制频率是fs，则我们可以按fs/2，fs/3，fs/4，...等频率来采样，也就是说，我们是按照光源调制频率的时间周期整数倍进行采样。

Claims (4)

1.一种闪频激光散斑三维目标获取系统，其特征在于：包括同步控制单元、散斑生成单元、图像采集单元和图像处理单元；

所述散斑生成单元包括脉冲光源和衍射元件，用以产生随机分布的散斑图案并投射到被测物体上；

所述同步控制单元控制散斑生成单元与图像采集单元同步工作；

所述图像采集单元将采集到得图像数据传递给图像处理单元。

2.根据权利要求1所述的一种闪频激光散斑三维目标获取系统，其特征在于：所述脉冲光源发出的脉冲为周期性光脉冲。

3.根据权利要求2所述的一种闪频激光散斑三维目标获取系统，其特征在于：所述图像采集单元包括CCD相机和衰减片。

4.一种闪频激光散斑三维目标获取方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】设置散斑生成单元的总触发信号为一个周期为T的脉冲序列；将散斑生成单元中光源的调制频率设为fs；

2】步骤1】完成后，散斑生产单元产出随机分布的散斑图案，投射到被探测的目标上；

3】通过同步控制单元的控制，在步骤2】的同时，图像采集单元将投射到目标上的散斑图案采集下来，并将数据传送送到图像处理单元进行处理；

3.1]图像采集单元按照光源调制频率的时间周期整数倍进行采样；

4】图像处理单元将采集到得散斑图案数据和系统中预先存储的参考图案数据进行相关比较，即可获取目标的三维信息。

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