CN105737761B - 基于一维信息的专用投影机及其投影方法 - Google Patents

Abstract

基于一维信息的高效专用投影机及其投影方法，本发明涉及结构光成像领域，其旨在解决现有结构光三维成像系统存在同步性不能满足高速应用要求，无法为所用到的编码图像提供高速投影，并且还存在应用鲁棒性差、处理灵活度低和投影效率偏低等技术问题。该发明主要包括微控制单元与投影系统，投影系统受微控制单元驱动；所述的微控制单元，包括图像解析单元、处理器和像素电极；所述的处理器，包括第一扩展模块和第二扩展模块。本发明用于灰度值具有规律性特征编码图像的结构光成像。

Description

基于一维信息的专用投影机及其投影方法

技术领域

本发明涉及结构光成像领域，具体涉及基于一维信息的高效专用投影机及其投影方法。

背景技术

结构光三维成像的技术流程是电脑控制投影机在投出一系列编码图像时，相机同步捕捉回这些编码图像并发送给电脑处理。流程图如图1所示。

对于结构光三维成像所用到的编码图像，大多数用到的是有特点的二维图像(它们特点是在行(列)上灰度值相等而在列(行)上灰度值呈规律性变化)，例如相位轮廓测量术(Phase Measuring Profilometry，PMP)。这种编码图像可以表示为：

I_n(x^p,y^p)＝A^p+B^pcos(2πfy^p-2πn/N) (1)

A^p、B^p是自定义系数，f是被投射的正弦波空间频率，(x^p,y^p)是投影机中的坐标，n相移系数，I_n是像素点(x^p,y^p)上第n帧被投射光栅的光强。

然而，目前市场上对于这类编码图像的投影全是采用市场上通用的商业投影仪或者空间光调制直接成像技术，现有投影技术对于编码图像的投影都是按如图2所示的方式进行的：从第一个点起，按行逐点显示图像每一个像素点的灰度值，在投影机的微程序控制器(Microprogrammed Control Unit，MCU)中建立图像灰度值和像素电极一一对应关系，通过对应关系依行逐点控制像素电极显示对应值，这种图像读取和显示形式对于编码图像来说不太适用，编码图像在行或者列上灰度值相同，每次读取和建立对应关系就会显得重复。这种重复性对该类图像的投影在速度上就达不到专用级要求，且这种重复性可以避免。

对于上述结构光三维成像领域所用到的编码图像，市场上没有针对性的专用投影机，用的都是商业投影机，商业投影机对这些编码图像的投影采用的依旧是按行逐点显示投影，达不到高速和应用同步性的要求。

发明内容

针对上述现有技术，本发明目的在于提供基于一维信息的专用投影机及其投影方法，其旨在解决现有结构光三维成像系统存在同步性不能满足高速应用要求，无法为所用到的编码图像提供高速投影，并且还存在应用鲁棒性差、处理灵活度低和投影效率偏低等技术问题；此外，本发明为结构光成像提出一种全新的实现思路，具体地，根据编码图像的灰度值矢量规律性特点，在成像起点采样环节和成像前端投影环节，利用最少采样和数据扩展思想，对现有系统的处理方案与技术进行革新，获得高效、高同步性的成像系统。本发明对特征或规律性编码图像的恢复产生技术启示。

为达到上述目的，本发明采用的技术如下：

基于一维信息的专用投影机,包括微控制单元与投影系统，投影系统受微控制单元驱动；

所述的微控制单元，包括图像解析单元、处理器和像素电极；

所述的处理器，包括第一扩展模块和第二扩展模块；

所述的图像解析单元输出编码图像单行或单列采样信号至第一扩展模块和/或第二扩展模块；

所述的第一扩展模块和/或第二扩展模块输出同步整行或同步整列控制信号至像素电极。

上述方案中，所述的微控制单元还连接有能够输出编码图像的图像外设；所述的图像外设，包括电荷耦合器件，相机和/或图像传感器。

上述方案中，所述的图像解析单元，包括解码器或编解码器。

上述方案中，所述的图像外设，设置有兼容解码器或编解码器的数据接口。

上述方案中，所述的第一扩展模块，包括行投影和列投影的信号处理电路；所述的第二扩展模块，包括像素条投影的信号处理电路。

上述方案中，所述的微控制单元，选用可编程式。

基于一维信息的专用投影方法，包括

所述的图像解析单元对编码图像解析，进行灰度值扫描并输出具有规律性变化灰度值的采样行信号或采样列信号；

根据对编码图像扫描的灰度值特点，所述的图像解析单元自动选择所述的第一扩展模块或所述的第二扩展模块，并将所述的采样行信号或所述的采样列信号输出至对应其选择的扩展模块；

被选择的扩展模块对所述的采样行信号或所述的采样列信号进行行扩展或列扩展处理，并对应输出具有同步整行或整列灰度值特点的控制信号至所述的像素电极；

根据所述的控制信号，所述的像素电极对投影系统进行直接驱动，完成目标图像投影。

上述方法中，还包括在完成目标图像投影的同时，所述的微控制单元接收所述投影系统的反馈信号，并生成关于投影状态的同步触发信号。

上述方法中，所述的图像解析单元，对编码图像的行或列进行一维类似和扩展宽度信息进行解析。

上述方法中，所述的第一扩展模块，其字节扩展方式包括行扩展投影和列扩展投影，在字节扩展后，一维类似矢量每一数据点所生成的控制信号分别对应控制的整行或整列像素电极。

上述方法中，所述的第二扩展模块，进行像素条投影；根据输入的采样行信号或采样列信号，所述的第二扩展模块将一行或一列像素电极的控制信号均归并为该行或该列中一个像素点控制信号，再依行序或列序形成像素条控制信号并将其输出至所述的像素电极；所述投影系统再根据所述像素电极的驱动，控制其显示模块立即以像素条的形式显示并投影。

与现有技术相比，本发明有益效果：

(1)显著突出地并实质进步地，加入了图像解析模块、扩展模块和像素条投影，改变了外设和投影仪之间按行依次扫描的数据传送方式，使目标图像全部转化成一维的矢量，成倍的减少了数据传输量和投影花费的时间，达到高速投影的目的；

(2)利用可编程微控制单元的投影触发信号，可以提供一个完全同步的信号，使目标图像的投影和捕获在时间节点上无缝连接，达到投影过程编程可控目的。

(3)根据投影机预留的同步触发信号，实现了投影、图像捕获的完全同步可控，用户也可以根据自己需要的投影速度设置相应的投影频率。

附图说明

附图1结构光三维成像工作示意图；

附图2投影机投影原理示意图；

附图3A^N×1×B^1×M等价效果图；

附图4投影机的结构示意图；

附图5图像扩展示意图；

附图6像素条投影示意图；

附图7编码图像示例图；

附图8矩阵示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合附图对本发明做进一步说明：

给定一幅常规被投影的编码图像G(m,n)，大小为M×N，灰度级在L(0≤L≤255)范围内。图像是M×N维的数组矩阵，对于该图像，它在行分量上灰度值不变的，现有投影技术对于这种图像的处理是建立每一个点的对应关系，在像素电极中对应显示每一点的灰度值，上述意味着图像在行灰度值相等的情况下，每个点的值都要被扫描、判断一次，在行分量上除了第一个点外，在后面每次装载都是重复操作，每一行的灰度值都有N-1次的操作是重复的，对于一幅M×N的图像就会重复(M-1)×(N-1)次，显然这种重复性质的操作就显得很不合理。

下面的例子可以更加清晰的证明这点，图3中a图是目标投影图像(左侧)，它和b图(右侧)的表达式是等价的，在投影机中，a图是b图A、B两矩阵的相乘后的显示效果，即A^N×1×B^1×M，可以看出在B阵中所有元素是相同的，显然只需要对A阵的灰度值加以扩展之后在像素电极中显示就能达到一样的投影效果。

只需要传送这类编码图像规律变化的单行(列)加以扩展后投影就能完成对整个编码图像的投影。将目标图像中行分量上灰度数值相等的全部点M₁(X₁₁,…，X_1i,…，X_1(n-1),X_1n)提取其中一点X₁₁，整幅二维编码图像就能包含在一个一维矢量中M_A(X₁₁,X₂₁,…，X_i1,…，X_(n-1)1,X_n1),M_A即包含了整幅图像的灰度值。对于目标编码图像，在被投影时直接读取规律变化的单行即可。投影机MCU只需要建立M_A和像素电极的对应关系即可，不需要建立整个编码图像的对应关系。

得到一维矢量后，在本发明投影机中，如图4中所示，投影机MCU系统中的图像解析模块对一维矢量数据类型进行解析，包括对它的一维类似(行或者列)、需要扩展的宽度等信息进行解析，解析之后发送给扩展模块，扩展模块是本实用新型的重要创新点，扩展模块根据解析信息自动选择扩展方式，根据图像的特点可以分为两类：

第一种是行列扩展投影，针对不同的结构光投影编码图像所选择行扩展(左侧)还是列扩展(右侧)是不同的，之所以这里要把行扩展和列扩展分开进行，是因为这样可以减少在过程中不断判断刷新扩展模块的环节，以最少的时间代价来完成字节扩展。图5给出了一维矢量扩展的行列形式。行列扩展改变了投影机显示方式，不需要像普通投影机去寻找图像灰度值与像素电极的一一对应关系，它直接控制每行的像素电极，把一维矢量的一个点对应一行像素电极显示并投影，直接把每行的像素电极组成一个同步信号，当成一个整体同时接受输入信号。所以只需要传入的单行列信息就能完成对目标图像的投影。

第二种模式是像素条投影，如图6所示：把显示电极所有行上的点作为一个像素电极点，这样就形成了一个类似像素点的像素条，像素条投影实质就是把一行的所有像素电极当成一个像素点，形成一个像素条，不需要找编码图像和像素电极的对应关系，只要有输入信号，投影机的显示模块会立即以像素条的形式显示输入信号并投影，同时向MCU系统发送一个触发信号。执行这个操作无需寻找对应关系和信号的输入查询等待等，立即就能把一维矢量转化成二维图像显示并投影，真正做到对结构光三维成像领域图像的高速投影。对于列分量上对其一维数组转置后输入，结果经过转置输出就能达到同样的效果。

经过上述两种方式扩展后的一维矢量数据都能立即投影目标图像，且灰度值和图像大小跟原始图像相同。上述两种扩展模式后投影的同时MCU系统都会生成一个同步触发信号，这个信号可以及时报告投影仪的投影状态。

实施例1

如图6中所示编码图像的特点是在行上灰度值一样，在列上呈一定规律性变化，取转置后还可以是在列上灰度值相同而在行上呈规律性变化的图像。这两种类型的图像就是本发明投影机专门针对的投影图像。投影机扫描外设模块上待投影的编码图像，如图7中的a(左侧)、b(右侧)图像的灰度值在外设模块中的存储形式都是以多维数组的形式存储的，图8中的多维矩阵。投影机的MCU系统在对外设上图像进行数据扫描和建立对应关系时不会像普通投影机一样对矩阵数组的每一个值都扫描传送，而是只传送它规律性变化的单行的值，如图8中的一维矢量矩阵，这样就成百倍的减少了数据扫描和传送的量，在投影机的投影显示部分只需建立单行的对应关系，也成百倍的减少了用时，相对于原来的投影技术，这种方法下，目标编码图像的投影就减少了大量时间。以图7中a图像为例，只需要传输一维矢量阵1的数据(图8矩阵A)，再经过扩展模块就能显示编码图像，再进行投影，采取这种方式，整个投影过程花费的时间就会大量减少。图7中b图是列扩展的例子，执行方式跟上述行扩展一样。

实施例2

所述的处理器，适用于MCU、DSP、CPU或者GPU、APU的RISC架构、ARM或x86架构或专用集成电路或可编程门阵列器件或可复写嵌入式控制器等技术选择；优选地，选用可编程门阵列器件可以额外获得较高的通用性。

本发明投影机解决了结构光三维成像领域所用到的编码图像专用投影的问题，满足了这类图像在某些领域的高速、可控要求。

本发明投影机只需读取原始二维图像一行的灰度值，经过图像解析、字节扩展模块后，把原本需要传输的数据量缩小了百倍，也大量减小了建立数据对应关系的量。在外设和投影机的通信和数据传输效率上明显提高，进而达到高速的目的，跟目前市场上性能优越的投影机对比，例如德州仪器的Light Crafter仪器，它对于8位灰度图形速率可以达到120Hz，本发明投影机是该类图像的专用投影机，投影频率能远远高于120Hz。

技术的进步只是选用标准的参考，但是出于改劣发明,或者成本考量,仅仅从实用性的技术方案选择。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于一维信息的专用投影机,其特征在于，包括微控制单元与投影系统，投影系统受微控制单元驱动；

所述的微控制单元，包括图像解析单元、处理器和像素电极；

所述的处理器，包括第一扩展模块和第二扩展模块；

所述的图像解析单元输出编码图像单行或单列采样信号至第一扩展模块和/或第二扩展模块；

所述的第一扩展模块和/或第二扩展模块输出同步整行或同步整列控制信号至像素电极；

所述的微控制单元还连接有能够输出编码图像的图像外设；所述的图像外设，包括电荷耦合器件；

所述的图像解析单元，包括解码器或编解码器。

2.根据权利要求1所述的基于一维信息的专用投影机，其特征在于，所述的图像外设，设置有兼容解码器或编解码器的数据接口。

3.根据权利要求1所述的基于一维信息的专用投影机，其特征在于，所述的第一扩展模块，包括行投影和列投影的信号处理电路；所述的第二扩展模块，包括像素条投影的信号处理电路。

4.基于一维信息的专用投影方法，其特征在于，包括

图像解析单元对编码图像解析，进行灰度值扫描并输出具有规律性变化灰度值的采样行信号或采样列信号；

根据对编码图像扫描的灰度值特点，所述的图像解析单元自动选择第一扩展模块或第二扩展模块，并将所述的采样行信号或所述的采样列信号输出至对应其选择的扩展模块；

被选择的扩展模块对所述的采样行信号或所述的采样列信号进行扩展处理，并对应输出具有同步整行或整列灰度值特点的控制信号至像素电极；

根据所述的控制信号，像素电极对投影系统进行直接驱动，完成目标图像投影。

5.根据权利要求4所述的基于一维信息的专用投影方法，其特征在于，还包括在完成目标图像投影的同时，微控制单元接收所述投影系统的反馈信号，并生成关于投影状态的同步触发信号。

6.根据权利要求4所述的基于一维信息的专用投影方法，其特征在于，所述的图像解析单元，对编码图像的行或列进行一维类似和扩展宽度信息进行解析。

7.根据权利要求4所述的基于一维信息的专用投影方法，其特征在于，所述的第一扩展模块，其字节扩展方式包括行扩展投影和列扩展投影，在字节扩展后，一维类似矢量每一数据点所生成的控制信号分别对应控制的整行或整列像素电极。

8.根据权利要求4所述的基于一维信息的专用投影方法，其特征在于，所述的第二扩展模块，进行像素条投影；根据输入的采样行信号或采样列信号，所述的第二扩展模块将一行或一列像素电极的控制信号均归并为该行或该列中一个像素点的控制信号，再依行序或列序形成像素条控制信号并将其输出至所述的像素电极。