CN105306924A - 一种用于线阵双目3d成像的主动纹理方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于线阵双目3D成像的主动纹理方法，包括接收频率为2f的外触发控制信号，根据所述外触发控制信号，生成频率为f的第一触发信号和频率为2f的第二触发信号，根据第一触发信号，以1/f的周期触发结构激光器向被拍摄物体投射递增光栅条纹光；根据第二触发信号，以1/2f的周期触发相机采集所述被拍摄物体；输出有栅格纹理图像和无栅格纹理图像交替排列的原始图像。本发明的递增光栅条纹光的条纹具有高亮度、结构特征明显的优点，可满足3D信息计算中对匹配特征的要求；另外，输出的原始图像为有栅格纹理图像和无栅格纹理图像交替排列的，通过对所述原始图像分离便可以获取无栅格纹理的完整2D图像、以及含匹配特征的有栅格条纹的完整图像。

Description

一种用于线阵双目3D成像的主动纹理方法

技术领域

本发明涉及于3D成像系统技术领域，特别是涉及一种用于线阵双目3D成像的主动纹理方法。

背景技术

随着工业自动化的快速发展，机器视觉系统的工业应用也越来越普遍。在机器视觉领域中，线阵双目3D相机是一类特殊的视觉机器。与面阵双目3D相机相比，它的传感器只有一行感光元素，因此使高扫描频率和高分辨率成为可能。线阵相机的典型应用领域是检测连续的材料，被检测的物体通常匀速运动，利用一台或多台线阵双目3D相机对其逐行连续扫描，以达到对其整个表面均匀检测。

然而缺乏匹配特征一直是线阵双目3D成像中的一个难题，尤其是在拍摄光滑平整的表面时，图像处理软件往往无法把所述表面上的每个点准确的配对进行3D信息计算。现有技术中通常使用投影仪投影特定的结构光到目标表面及参考面上，然后对目标表面及参考面上形成的结构光的图像进行拍摄，并根据拍摄图像中目标形状造成的光信号的变化，利用相位法计算目标的位置和高度信息等，最终形成目标的3D形状。

但是上述投影的结构光亮度低，同时线阵双目3D相机又具有补光光源高亮度的特点，最终导致线阵双目3D相机所获取的结构光图像的质量较差，而影响后续的图像结构匹配特征提取以及进行3D信息计算，进而导致上述使用投影仪投影结构光的方式不能满足线阵双目3D相机的要求；同时使用了上述投影的结构光后，最终获取的2D图像上也会含有上述结构光图像，导致原有的2D图像被破坏。

发明内容

本发明实施例中提供了一种用于线阵双目3D成像的主动纹理方法，以解决现有技术中的使用投影仪投影的结构光因亮度低不能满足对匹配特征信息分析的要求、以及所述结构光会破坏原有的2D图像的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

一种用于线阵双目3D成像的主动纹理方法，包括：

接收频率为2f的外触发控制信号；

根据所述外触发控制信号，生成频率为f的第一触发信号和频率为2f的第二触发信号；

根据所述第一触发信号以1/f为周期触发结构激光器向被拍摄物体投射递增光栅条纹光，根据所述第二触发信号以1/2f为周期触发相机采集所述被拍摄物体；

输出有栅格纹理图像和无栅格纹理图像交替排列的原始图像。

优选地，输出有栅格纹理图像和无栅格纹理图像交替排列的原始图像之后，还包括：

将所述原始图像发送给图像处理模块；

所述图像处理模块对所述原始图像进行图形处理，输出有栅格条纹的完整图像和无栅格条纹的完整图像。

优选地，接收频率为2f的外触发控制信号之前，还包括：

获取被拍摄物体的运动速度；

根据所述运动速度确定所述外触发控制信号的触发频率为2f。

优选地，生成频率为f的第一触发信号和频率为2f第二触发信号，包括：

生成所述第二触发信号相对于生成所述第一触发信号有一定的延迟时间，所述延迟时间小于1/4f。

优选地，所述递增光栅条纹光包括多个周期的宽度递增光栅条纹光，所述宽度递增光栅条纹光的图样递增方式包括等差数列递增或等比数列递增。

优选地，所述结构激光器包括准直激光光源和光栅，所述准直激光光源发射激光光束照射在所述光栅上，所述激光光束透过所述光栅生成所述递增光栅条纹光。

优选地，所述准直激光光源所发射的光波波长包括808nm、850nm、915nm或940nm。

优选地，所述准直激光光源所发射的激光的光功率包括2W、5W、7W、8W或15W。

优选地，所述光栅的扩展角度包括30°、60°或90°。

优选地，根据所述第一触发信号，以1/f的周期触发结构激光器向被拍摄物体投射递增纹理光，包括：

将所述第一触发信号发送给斩波器或磁光开关；

所述斩波器或所述磁光开关接收到所第一触发信号后，对所述结构激光器所在电路进行开或关的控制，实现所述结构激光器以1/f的周期向被拍摄物体投射递增纹理光。

由以上技术方案可见，本发明实施例提供的用于线阵双目3D成像的主动纹理方法，包括接收频率为2f的外触发控制信号，根据所述外触发控制信号，生成频率为f的第一触发信号和频率为2f的第二触发信号，根据所述第一触发信号，以1/f的周期触发结构激光器向被拍摄物体投射递增光栅条纹光；根据所述第二触发信号，以1/2f的周期触发相机采集所述被拍摄物体；输出有栅格纹理图像和无栅格纹理图像交替排列的原始图像。

本发明通过结构激光器向光栅投射激光产生递增光栅条纹光，其中光栅自身具有所生成的光栅条纹有亮度高的优点、激光器所发射的光具有功率高且相干性好的优点，因此所述递增光栅条纹光为亮度高的光栅条纹，同时，所述条纹光的条纹结构特征为递增的，所以上述高亮度、结构特征明显的递增光栅条纹光，可以使线阵双目3D相机拍摄出带有高质量条纹图形的图像，进而，在下一步的3D信息计算中可以用所述条纹图形作为匹配特征；另外，在本发明中，向被拍摄物体投射递增结构光的周期为相机拍摄图像周期的两倍，所以可以输出有栅格纹理图像和无栅格纹理图像交替排列的原始图像，即所述原始图像中奇(或偶)数行为有栅格纹理的图像、偶(或奇)数行为无栅格纹理的图像，这样便可以后续图像处理，对所述原始图像的分离，获取关于被拍摄物体的无栅格纹理的完整2D图像、以及包含匹配特征有栅格条纹的完整图像。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于线阵双目3D成像的主动纹理方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种外触发信号频率确定方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的准直激光光源加光栅生成结构光的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种递增光栅条纹光的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种带有主动纹理装置的线阵双目3D成像系统的基本结构示意图；

图1-5中，具体符号为：

11-准直激光光源，12-光栅，1-纹理光筒，2-照明光筒，3-相机，4-机身。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参见图1，为本发明实施例提供的一种用于线阵双目3D成像的主动纹理方法的流程示意图，本实施例提供的主动纹理方法，具体包括，

步骤101：接收频率为2f的外触发控制信号。

为了满足线阵双目3D相机高扫描频率的要求，本实施例中的所述外触发信号为频率约为20kHz的高频触发信号。

在步骤101之前，如图2所示为外触发信号频率确定方法的流程示意图，还可以包括如下步骤，

步骤201：获取被拍摄物体的运动速度。

线阵双目3D相机通常用来拍摄运动的物体以实现检测目的，所以为了保证最终能获取所述被拍摄物体的完整图像，外触发控制信号的触发频率需要根据所述被拍摄物体的实时运动速度的变化而变化，其中，所述运动速度可以包括所述被拍摄物体相对所述线阵双目3D相机运动的线速度或角速度等。在具体实施中，可以采用线速度传感器或角速度传感器获取所述被拍摄物体的运动速度，或者，如果所述被拍摄物体做匀速运动，可以在所述线阵双目3D相机拍摄图像之前，通过操作界面直接向控制系统输入所述被拍摄物体运动速度。

步骤202：根据所述运动速度确定所述外触发控制信号的触发频率为2f。

根据所述运动速度以及所述线阵3D相机所锁定的图像纵向精度，便可以确定所述触发频率，具体计算公式如下：

所述外触发控制信号的触发频率＝2*(所述运动速度/图像纵向精度)。

这样所述线阵3D相机中的每一个相机便可以在所述被拍摄物体中的同一位置采集两张图像。在具体应用中可以采用编码器来产生所述外触发控制信号，其中，所述编码器是指每隔固定的距离间隔或角度间隔产生相应脉冲信号的装置。

步骤102：根据所述外触发控制信号，生成频率为f的第一触发信号和频率为2f的第二触发信号。

本实施例中采用信号处理板，根据所获取的所述外触发控制信号输出两种信号，一种是频率为2f的第二触发信号、用来触发相机，另一种为二分之一降频后输出的频率为f的第一触发信号、用来触发结构激光器，上述降频的目的是为了保证所述第一触发信号的一个脉冲对应所述第二触发信号的两个脉冲，同时，本实施例中所述结构激光器采用了可接受高频触发的电源板供电。

进一步的，为了避开所述结构激光器响应的上升沿，生成所述第二触发信号相对于生成所述第一触发信号有一定的延迟时间，并且所述延迟时间小于1/4f。

步骤103：根据所述第一触发信号以1/f为周期触发结构激光器向被拍摄物体投射递增光栅条纹光，根据所述第二触发信号以1/2f为周期触发相机采集所述被拍摄物体。

其中，根据所述第一触发信号以1/f为周期触发结构激光器向被拍摄物体投射递增光栅条纹光，还包括：

步骤301：将所述第一触发信号发送给斩波器或磁光开关；

其中，斩波器是用电力电子器件作为电力电子开关、具有电路简单、控制灵活的优点；磁光开关时利用法拉第旋光效应，通过外加磁场的改变来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用，从而达到切换光路的效果，具有开关速度快、稳定性能高的优点，所以选用斩波器或磁光开关作为电路开关，可以满足对所述第一触发信号快速响应的要求。

步骤302：所述斩波器或所述磁光开关接收到所第一触发信号后，对所述结构激光器所在电路的进行开或关的控制，实现所述结构激光器以1/f为周期向被拍摄物体投射递增光栅条纹光。

因为有所述第一触发信号和所述第二触发信号的触发控制作用，所述结构激光器在高电平时工作并投射递增光栅条纹光、低电平时关闭，即以1/f的周期向被拍摄物体投射递增光栅条纹光；同时所述相机接收到所述第二触发信号后，在高电平时采集一行图像、即1/2f的周期触发相机采集所述被拍摄物体。

在图像采集过程，一个1/f的周期内，所述触发结构激光器向被拍摄物体投射一次递增光栅条纹光，所述相机对所述被拍摄物体的同一位置采集两张图像，其中，所述相机采集的图像中有栅格纹理图像、为所述相机和所述结构激光器均在高电平时采集到的，所述相机采集的图像中无栅格纹理图像、为所述相机处于高电平、所述结构激光器处于低电平时采集到的。这样在完成整个图像采集过程后，便会生成有栅格纹理图像和无栅格纹理图像交替排列的原始图像，即所述原始图像中奇(或偶)数行为有栅格纹理的图像、偶(或奇)数行为无栅格纹理的图像。

同时，所述结构激光器向被拍摄物体投射递增光栅条纹光具体实现方式为，如图3所示，为准直激光光源加光栅生成结构光的示意图，所述结构激光器包括准直激光光源11和光栅12，所述准直激光光源11发射激光光束照射在所述光栅12上，所述激光光束透过所述光栅12生成所述递增光栅条纹光。

所述准直激光光源11是经过准直系统处理的激光光源，因此所述准直激光光源11发射的激光光束具有亮度均匀、相干性好的优点，在所述准直激光光源11发射激光光束投射在所述光栅12的栅纹上后，因为有光栅狭缝多缝干涉和单缝衍射的共同作用，便会在被拍摄物体上透射出在横向宽度渐变、纵向保持与激光光束宽度相等的多个高亮度光栅条纹。

所述准直激光光源11所发射的光波波长可以为808nm、850nm、915nm或940nm，激光的功率可以根据需求选用2W、5W、7W、8W或15W，当然并不限于上述数值；另外，所述准直激光光源11可以选用体积小、重量轻以及耗电少的半导体激光器作为光源。

所述光栅12需要的扩展角度是根据所述相机的线阵视场范围确定来决定的，例如所述扩展角度可以为30°、60°或90°，但并不限于该数值。

为了满足在3D信息计算过程中对匹配特征信息提取的要求，所述光栅12为特殊定制的光栅，经过所述光栅12处理后形成的条纹图样为多个周期的宽度递增光栅条纹光，其中所述宽度递增光栅条纹光的图样递增方式包括等差数列递增或等比数列递增，如图4所示，为本发明实施例提供的一种递增光栅条纹光的示意图。

步骤104：输出有栅格纹理图像和无栅格纹理图像交替排列的原始图像。

在图像采集工作完成后，输出有栅格纹理图像和无栅格纹理图像交替排列的原始图像。

在步骤104之后，还包括图像处理的步骤，具体包括如下步骤：

步骤401：将所述原始图像发送给图像处理模块。

将所述双目3D相机的两个相机分别采集的所述原始图像发送给图像处理模块，以进行下一步的3D信息计算工作。

步骤402：所述图像处理模块对所述原始图像进行图形处理，输出有栅格条纹的完整图像和无栅格条纹的完整图像。

所述图像处理模块分别对每一张所述原始图像进行图形处理，将所述原始图像中有栅格条纹图像行和无栅格条纹图像行进行分离，最终获取关于所述被拍摄物体的有栅格条纹的完整图像和无栅格条纹的完整图像，其中，所述无栅格条纹的完整图像即为所述被拍摄物体的未被破坏的2D图像。

另外，在得到所述有栅格条纹的完整图像后，便可以将所述有栅格条纹的完整图像输入到3D图像处理软件中，以所述栅格条纹为匹配特征信息进行畸变矫正、视差计算以及空洞填补等处理工作，并输出视差数据、深度数据以及3D模型文件。

结合上述主动纹理方法，本实施例提供了一种带有主动纹理装置的线阵双目3D成像系统，如图5所示为所述线阵双目3D成像系统的基本结构示意图，主要包括一个纹理光筒1、两个照明光筒2、两个相机3和机身4，其中，所述纹理光筒1、所述照明光筒2和所述相机3横向并排设置在所述机身4的一侧，所述纹理光筒1内设置有所述结构激光器，所述照明光筒2内设置有照明激光器，所述机身4中设置有电源供电模块以及外触发信号模块。

在使用所述带有主动纹理装置的线阵双目3D成像系统采集图像时，首先，依次给所述结构激光器和所述照明激光器通电，所述照明激光器向所述相机3的线阵视场范围投射激光作为补偿光，所述外触发信号模块检测将会被拍摄物体的运动速度、并产生外触发控制信号，然后所述外触发控制信号生成第一触发信号和第二触发信号，所述第一触发信号触发所述结构激光器在投射递增光栅条纹光、且所述递增光栅条纹光落在所述相机3的线阵视场范围内，所述第二触发信号控制所述相机3进行图像采集工作。当图像采集工作完成后，所述被拍摄物体静止，所述外触发信号模块将停止发送所述外触发控制信号，此时再依次给所述结构激光器和所述照明激光器通电断电，然后对获取的原始图像进行下一步的图像处理工作。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于线阵双目3D成像的主动纹理方法，其特征在于，包括：

接收频率为2f的外触发控制信号；

根据所述外触发控制信号，生成频率为f的第一触发信号和频率为2f的第二触发信号；

根据所述第一触发信号以1/f为周期触发结构激光器向被拍摄物体投射递增光栅条纹光，根据所述第二触发信号以1/2f为周期触发相机采集所述被拍摄物体；

输出有栅格纹理图像和无栅格纹理图像交替排列的原始图像。

2.根据权利要求1所述的用于线阵双目3D成像的主动纹理方法，其特征在于，输出有栅格纹理图像和无栅格纹理图像交替排列的原始图像之后，还包括：

将所述原始图像发送给图像处理模块；

所述图像处理模块对所述原始图像进行图形处理，输出有栅格条纹的完整图像和无栅格条纹的完整图像。

3.根据权利要求1所述的用于线阵双目3D成像的主动纹理方法，其特征在于，接收频率为2f的外触发控制信号之前，还包括：

获取被拍摄物体的运动速度；

根据所述运动速度确定所述外触发控制信号的触发频率为2f。

4.根据权利要求1所述的用于线阵双目3D成像的主动纹理方法，其特征在于，生成频率为f的第一触发信号和频率为2f第二触发信号，包括：

生成所述第二触发信号相对于生成所述第一触发信号有一定的延迟时间，所述延迟时间小于1/4f。

5.根据权利要求1所述的用于线阵双目3D成像的主动纹理方法，其特征在于，所述递增光栅条纹光包括多个周期的宽度递增光栅条纹光，所述宽度递增光栅条纹光的图样递增方式包括等差数列递增或等比数列递增。

6.根据权利要求1所述的用于线阵双目3D成像的主动纹理方法，其特征在于，所述结构激光器包括准直激光光源和光栅，所述准直激光光源发射激光光束照射在所述光栅上，所述激光光束透过所述光栅生成所述递增光栅条纹光。

7.根据权利要求6所述的用于线阵双目3D成像的主动纹理方法，其特征在于，所述准直激光光源所发射的光波波长包括808nm、850nm、915nm或940nm。

8.根据权利要求6所述的用于线阵双目3D成像的主动纹理方法，其特征在于，所述准直激光光源所发射的激光的光功率包括2W、5W、7W、8W或15W。

9.根据权利要求6所述的用于线阵双目3D成像的主动纹理方法，其特征在于，所述光栅的扩展角度包括30°、60°或90°。

10.根据权利要求1所述的用于线阵双目3D成像的主动纹理方法，其特征在于，根据所述第一触发信号，以1/f的周期触发结构激光器向被拍摄物体投射递增纹理光，包括：

将所述第一触发信号发送给斩波器或磁光开关；

所述斩波器或所述磁光开关接收到所第一触发信号后，对所述结构激光器所在电路进行开或关的控制，实现所述结构激光器以1/f的周期向被拍摄物体投射递增纹理光。