CN103985157A - 一种结构光三维扫描方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于三维扫描技术领域，提供了一种结构光三维扫描方法及系统，包括：FPGA将结构光图像输出至投影仪，并在其每向投影仪输出一帧所述结构光图像的同时，向相机发送一次触发信号；相机在接收到所述触发信号后，对投影仪产生的投影进行实时拍照；相机将拍摄的照片传送至计算机；计算机根据相机传送的照片进行三维重建。本发明基于FPGA来实现结构光三维扫描过程中投影仪与相机的同步，由FPGA实时生成结构光图像，通过视频接口直接输出到投影仪进行投影，与此同时，发送同步信号至相机，触发相机对投影出的结构光图像进行拍摄，由此实现了投影仪与相机的精确同步，进而完成高速的结构光三维扫描。

Description

一种结构光三维扫描方法及系统

技术领域

本发明属于三维扫描技术领域，尤其涉及一种结构光三维扫描方法及系统。

背景技术

在三维视觉、缺陷检测、三维测量等领域，结构光三维扫描技术发挥着越来越重要的作用。目前，结构光三维扫描技术通过在PC端存储结构光图片并将图片输出到投影仪进行投影，再由PC端控制相机进行拍摄，通过相机传回的数据进行三维重构，从而计算出被扫描物体的三维信息。

在上述现有技术中，PC端触发相机进行拍摄之前，结构光图片的投影过程需要经过硬盘、内存、显存、投影仪等多个装置或设备的处理才能实现，而上述装置或设备的处理时间均不确定，使得PC端无法控制何时向相机发出触发信号，导致投影仪与相机之间难以达到精确的同步控制。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种结构光三维扫描方法，旨在解决目前结构光三维扫描技术中投影仪与相机之间难以达到精确的同步控制的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种结构光三维扫描方法，包括：

现场可编程门阵列FPGA将结构光图像输出至投影仪，并在其每向投影仪输出一帧所述结构光图像的同时，向相机发送一次触发信号；

相机在接收到所述触发信号后，对投影仪产生的投影进行实时拍照；

相机将拍摄的照片传送至计算机；

计算机根据相机传送的照片进行三维重建。

本发明实施例的另一目的在于提供一种结构光三维扫描系统，包括：

现场可编程门阵列FPGA，用于将结构光图像输出至投影仪，并在其每向投影仪输出一帧所述结构光图像的同时，向相机发送一次触发信号；

投影仪，用于对FPGA输入的所述结构光图像进行投影；

相机，用于在接收到所述触发信号后，对投影仪产生的投影进行实时拍照，并将拍摄的照片传送至计算机；

计算机，用于根据相机传送的照片进行三维重建。

本发明基于FPGA来实现结构光三维扫描过程中投影仪与相机的同步，由FPGA实时生成结构光图像，通过视频接口直接输出到投影仪进行投影，与此同时，发送同步信号至相机，触发相机对投影出的结构光图像进行拍摄，由此实现了投影仪与相机的精确同步，进而完成高速的结构光三维扫描。

附图说明

图1是本发明实施例提供的结构光三维扫描系统的系统架构图；

图2是本发明实施例提供的结构光三维扫描方法的实现流程图；

图3是本发明实施例提供的结构光三维扫描方法S201的具体实现流程图；

图4是本发明另一实施例提供的结构光三维扫描方法的实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)来实现结构光三维扫描过程中投影仪与相机的同步，由FPGA实时生成结构光图像，通过视频接口直接输出到投影仪进行投影，与此同时，发送同步信号至相机，触发相机对投影出的结构光图像进行拍摄，由此实现了投影仪与相机的精确同步，进而完成高速的结构光三维扫描。

以下通过具体的实施例对本发明提供的结构光三维扫描方法及系统进行详细阐述：

图1示出了本发明实施例提供的结构光三维扫描系统的系统架构图。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

参照图1，该系统包括计算机11、FPGA12、相机13及投影仪14，其中：

计算机11同时与FPGA12和相机13连接，一方面用于在系统工作之前对FPGA12和相机13进行控制，分别使能FPGA投影结构光图像，以及初始化相机进行拍摄的待机状态。

FPGA12则同时与相机13和投影仪14建立连接关系，用于通过同时向相机13和投影仪14发送相应的数据信号，实现相机的拍照动作与投影仪的投影动作的精确同步。其中，FPGA12与相机13可以通过相机13所配置的触发线进行连接，不同相机或者相机系统的触发线接口可能不同，在此不作限定；FPGA12与投影仪14则可以通过高清晰度多媒体接口(High Definition MultimediaInterface，HDMI)或者VGA(Video Graphics Array)接口实现连接。

而相机13在完成拍照动作之后，则将照片传送给计算机11，由计算机11根据相机13传送回的照片进行三维重建，从而完成三维扫描。

基于图1实施例提供的结构光三维扫描系统的系统架构，图2示出了本发明实施例提供的结构光三维扫描方法的实现流程，详述如下：

在S201中，FPGA将结构光图像输出至投影仪，并在其每向投影仪输出一帧所述结构光图像的同时，向相机发送一次触发信号。

在本实施例中，FPGA同时向投影仪和相机分别发出相应的数据信号，一路信号用于使投影仪执行投影操作，另一路信号用于触发相机的拍照操作。一方面，用于投影的结构光图像由FPGA直接通过其视频接口高速输出至投影仪，以向投影仪输出高帧率且输出频率稳定的结构光图像。在本实施例中，结构光图像并非由计算机输出至投影仪，因此，其输出不再需要经过硬盘、内存等装置的运算处理，避免了不可预估的输出延时的产生。另一方面，当FPGA每向投影仪输出一帧光结构图像，其就向相机发送一次触发信号，用于触发相机对投影仪投影出的光结构图像进行拍照。在本实施例中，FPGA并非在每一帧结构光图像投影结束之后才向相机发送触发信号，而是在将结构光图像发送给投影仪的同时就向相机发送一次触发信号，从而避免相机的拍照动作与投影仪的投影动作不同步的现象出现。上述同步触发过程充分利用了FPGA并行运算的特点，在FPGA内部固定的像素时钟及时序的控制下，保证投影和拍摄这两个不同设备动作的精确同步。

对于FPGA输出的结构光图像，作为本发明的一个实施例，该结构光图像可以预先存储在FPGA内部的存储装置中。作为本发明的另一实施例，该结构光图像也可以由FPGA在S201之前实时生成，即，在S201之前，该方法还包括：

FPGA实时生成所述结构光图像。

在本实施例中，通过在FPGA中预置相应的结构光图像生成逻辑，逐帧实时生成结构光图像，一方面，不需要在FPGA中预先对结构光图像进行存储，节省了FPGA的存储空间；另一方面，FPGA也能够根据三维扫描的实时需求生成指定高分辨率、高帧率的结构光图像。

在本实施例中，FPGA需要依据一定的输出频率，同时向投影仪和相机分别发出相应的数据信号，该输出频率可以预先作为内部逻辑写进FPGA，预先写进FPGA的输出频率可以有多个，则此时，FPGA需要在执行S201之前获取到其中一个预先设置的输出频率，用于向投影仪和相机进行信号输出。

作为一种具体的实现方式，可以利用FPGA的外部接口进行跳线设计，以实现对输出频率的选择，改变跳线位置，也就相当于在预先设置的若干输出频率中进行切换，选择符合当前输出需求的输出频率，因此，FPGA通过检测跳线位置，获取到预先设置的其中一种输出频率，从而满足不同型号的投影仪及相机的参数要求。

图3示出了本发明实施例提供的结构光三维扫描方法S201的具体实现流程：

S301，FPGA根据所述输出频率，确定输出时间点。

S302，FPGA在所述输出时间点到达时，将结构光图像输出至投影仪。

S303，FPGA在所述输出时间点到达时，向相机发送触发信号。

由此，通过上述FPGA的内部时序控制，可以精确地控制投影仪的投影操作和相机的拍照操作，从而保证对结构光三维扫描系统精确的同步控制。

在S202中，相机在接收到所述触发信号后，对投影仪产生的投影进行实时拍照。

在S203中，相机将拍摄的照片传送至计算机。

在本实施例中，相机每接收到一次FPGA发送出的触发信号，则随即进行一次拍照操作，并将拍摄到的照片传送至计算机中；而相机在未接收FPGA发送出的触发信号的情况下，则保持待机状态，保证在接收到触发信号之后能够第一时间执行拍照操作。

作为本发明的一个具体实现示例，相机通常可以选用每秒钟拍摄150帧以上、具备外触发功能以及USB3.0接口的调整相机来完成拍摄，以保证结构光三维扫描系统的扫描速度和硬件通用性。

在S204中，计算机根据相机传送的照片进行三维重建。

在本实施例中，计算机对相机传送来的照片进行存储，并在相机将所有拍摄完成的照片传送完毕之后，计算机基于这部分拍摄完成的照片，通过预先安装好的三维处理软件进行三维重建计算，从而最终完成整个三维扫描过程。

上述整个三维扫描的过程可以通过计算机进行触发，激活三维扫描系统中的各个设备实现工作，即，如图4所示，在S201之前，所述方法还包括：

S205，计算机同时向FPGA和相机发出使能信号，以使FPGA和相机进行初始化操作。

具体地，在计算机端启动三维扫描程序之后，计算机分别向FPGA和相机发出使能信号，触发FPGA和相机进行各自的初始化操作。

基于上述实施例，能够在结构光三维扫描中实现投影仪与相机的精确同步。随着成像技术的发展，基于数字光处理(Digital Light Procession，DLP)投影的投影技术已经可以达到5000Hz以上的输出频率，而高速相机系统也可以实现500FPS以上的拍摄速度，因此，本方案在精确同步的基础上，能够到达高速三维扫描的效果。

需要说明的是，在本发明实施例中，FPGA也可以用数字信号处理(DigitalSignal Process，DSP)芯片等其他可编程器件来替代实现相同的功能。

以下实施例基于图1实施例所示的系统架构，以及基于本发明图2至图4实施例所示的结构光三维扫描方法，对本发明实施例提供的结构光三维扫描系统中各个设备或装置的功能进行相应阐述：

FPGA，将结构光图像输出至投影仪，并在其每向投影仪输出一帧所述结构光图像的同时，向相机发送一次触发信号。

投影仪，对FPGA输入的所述结构光图像进行投影。

相机，在接收到所述触发信号后，对投影仪产生的投影进行实时拍照，并将拍摄的照片传送至计算机。

计算机，根据相机传送的照片进行三维重建。

可选地，所述FPGA还用于实时生成所述结构光图像。

可选地，所述FPGA还用于获取预先设置的输出频率；

则所述FPGA具体用于：

根据所述输出频率，确定输出时间点；

在所述输出时间点到达时，将结构光图像输出至投影仪；

在所述输出时间点到达时，向相机发送触发信号。

可选地，所述FPGA具体用于：

通过检测跳线位置，获取预先设置的输出频率。

可选地，所述计算机还用于同时向FPGA和相机发出使能信号，以使FPGA和相机进行初始化操作。

如图1所示，本实施例所提供的结构光三维扫描系统结构简单，且其基于FPGA实现，极大地减少了系统对计算机的依赖，系统工作稳定、高速，实时性好，能够被运用在各种结构光系统的三维扫描场景之中。

本发明基于FPGA来实现结构光三维扫描过程中投影仪与相机的同步，由FPGA实时生成结构光图像，通过视频接口直接输出到投影仪进行投影，与此同时，发送同步信号至相机，触发相机对投影出的结构光图像进行拍摄，由此实现了投影仪与相机的精确同步，进而完成高速的结构光三维扫描。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种结构光三维扫描方法，其特征在于，包括：

现场可编程门阵列FPGA将结构光图像输出至投影仪，并在其每向投影仪输出一帧所述结构光图像的同时，向相机发送一次触发信号；

相机在接收到所述触发信号后，对投影仪产生的投影进行实时拍照；

相机将拍摄的照片传送至计算机；

计算机根据相机传送的照片进行三维重建。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述FPGA将结构光图像输出至投影仪之前，所述方法还包括：

FPGA实时生成所述结构光图像。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述FPGA将结构光图像输出至投影仪之前，所述方法还包括：

FPGA获取预先设置的输出频率；

所述FPGA将结构光图像输出至投影仪，并在其每向投影仪输出一帧所述结构光图像的同时，向相机发送一次触发信号包括：

FPGA根据所述输出频率，确定输出时间点；

FPGA在所述输出时间点到达时，将结构光图像输出至投影仪；

FPGA在所述输出时间点到达时，向相机发送触发信号。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述FPGA获取预先设置的输出频率具体为：

FPGA通过检测跳线位置，获取预先设置的输出频率。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述FPGA将结构光图像输出至投影仪之前，所述方法还包括：

计算机同时向FPGA和相机发出使能信号，以使FPGA和相机进行初始化操作。

6.一种结构光三维扫描系统，其特征在于，包括：

现场可编程门阵列FPGA，用于将结构光图像输出至投影仪，并在其每向投影仪输出一帧所述结构光图像的同时，向相机发送一次触发信号；

投影仪，用于对FPGA输入的所述结构光图像进行投影；

相机，用于在接收到所述触发信号后，对投影仪产生的投影进行实时拍照，并将拍摄的照片传送至计算机；

计算机，用于根据相机传送的照片进行三维重建。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述FPGA还用于实时生成所述结构光图像。

8.如权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述FPGA还用于获取预先设置的输出频率；

则所述FPGA具体用于：

根据所述输出频率，确定输出时间点；

在所述输出时间点到达时，将结构光图像输出至投影仪；

在所述输出时间点到达时，向相机发送触发信号。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述FPGA具体用于：

通过检测跳线位置，获取预先设置的输出频率。

10.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述计算机还用于同时向FPGA和相机发出使能信号，以使FPGA和相机进行初始化操作。