CN105890575B - 普通及特殊环境的人工智能机器视觉识别方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种普通及特殊环境的人工智能机器视觉识别方法及装置，为解决现有技术不适合多视场测量问题，是利用沿光路依次配置在精密丝杠(8‑1)和精密导轨(8‑2)的激光器(1)、光束整形系统(2)、矩形光栅(3)、单色傅立叶变换透镜(4)、频谱选择器(5)、波片(6)、单色变倍率镜头(7)、高速振镜(9)组成的光输出系统向待识别目标(10)投射正弦结构光；由计算机(14)及与之相连的远心镜头及高速CCD或CMOS(11)、激光测距系统(12)、内部环境控制系统(13)组成的视觉采集识别系统对待识别目标(10)进行视觉采集识别；通过内置光输出系统和视觉采集识别系统的保护外壳(15)配置防辐射保护窗口对光输出系统和视觉采集识别系统进行防辐射保护。具有适合由近及远的大视场范围测量的正弦结构光连续输出，兼顾远近不同距离，不同特征的静态、低速，以及高速运动物体的模式识别的优点。

Description

普通及特殊环境的人工智能机器视觉识别方法及装置

技术领域

本发明涉及一种机器视觉识别方法，特别是涉及一种普通及特殊环境的人工智能机器视觉识别方法及装置。

背景技术

目前，人工智能机器视觉识别方法，主要通过直接拍摄图像，并结合图形图像识别算法实现模式识别。对特定对象，使用特定的软件算法识别；此类方法技术，也主要应用于特定、单一的识别对象。比如：药品中药片、胶囊的完整性识别；胶瓶饮料、酒类等的液面高度识别；印染行业的图像边缘完整度识别等边缘检测识别领域等；其他如：港口、机场、火车站、进出口物品检测等领域，一般需要人工辅助识别；强辐射、超高温、超高压等特殊领域，比如矿井、核辐射污染区、海底热液区、行星表面等特殊环境，近距离一般需要实时的图像远程播放，并辅助人工控制进行；远距离的行星表面等特殊环境，很难实现实时图像传输及人工控制，所以，对算法的要求大幅度提高，同时也大幅度增加了CPU的运算负担。

在探测光源上，用摄像机直接拍摄，一般采用普通的照明光源；也有使用点状激光扫描，或者线状激光扫描方法；也有使用投影仪投影输出正弦结构光照明的方法；3D立体识别上，既有双摄像头方法，也有采用全息图拍摄的干涉方法。这一类方法，因为扫描结构的存在，速度慢；或者，因为使用通用设备，比如投影仪，而不适合使用于高辐射、高温、高压等特殊环境；或者，双摄像头的运算量也比较大；或者，因为利用全息干涉方法，只适用于实验室，限制了使用环境。

专利号200510016796.0专利是原理相近专利，涉及的主要内容是“光学系统调制传递函数(MTF)测量”。该专利第一发明人为本专利申请第一发明人，在对该专利的四项关键技术改进后，可用于普通及特殊环境的人工智能机器视觉识别，减少软件运算量，提高识别率。

第一，对关键核心部件矩形光栅的选择没有针对性，单纯利用矩形光栅的制作误差，实现的二级光谱输出，不具有可控性；改进方案是将使用占空比精确控制为大于3∶1的整数比的矩形透射光栅，保证利用二级光谱合成，实现关键位置，投影正弦结构光的倍增输出。能够使用单频、双频、三频的正弦结构光投影，不会出现频率混叠，容易实现滤波算法设计，减少软件运算量，减轻图像处理CPU的运算压力，提高识别率；

第二，占有输入能量70％以上的零级频谱不能有效利用，且只能降低输出正弦结构光的对比度；改进方案是根据各级次光谱之间的相位关系，利用1/4波片或1/2波片将零频光能量转移到一级频谱、二级频谱、三级频谱，成倍提高局部大曲率位置的条纹密度及正弦结构光的对比度，利于获取远距离及大尺寸的清晰图像，提高模式识别率；

第三，傅立叶变换透镜及变倍率镜头为通用设计，没有针对单一波长光的针对性设计，输出的正弦结构光像场像差较大，是测量精度提高的一大障碍；改进方案是针对光源激光器波长，设计专用单色镜头，不需要考虑色差及消色差问题，只需解决球差、场曲、畸变、慧差和像散问题即可，降低镜头设计、镀膜和制造的难度，并能有效降低投影正弦结构光的波像差，再结合激光测距系统，实现在不同距离位置波像差的实时补偿，有效提高拍摄对象的清晰度，提高识别精度；

第四，平行光输出，如果按照输出镜头尺寸4英寸设计，投影尺寸即只有4英寸，限制了测量的视场范围，不利于大面积投影拍摄；改进方案是配合高放大率镜头输出，加大投影面积；以及配合高速扫描振镜的扫描，实现大尺寸、大面积投影正弦结构光输出，配合远心镜头及图像拼接技术，静态拍摄可以达到几十米的巨大范围，能够兼顾远近不同距离的低速物体模式识别，以及高速运动目标的捕捉及模式识别。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种普通及特殊环境的人工智能机器视觉识别方法，本发明目的还在于提供用于实现该方法的装置。针对背景技术中的问题有：人工智能机器视觉识别方法图形图像识别算法运算量大，且识别对象特征单一，识别率低；以及使用通用设备，而不适合于超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境使用等。该技术涉及人工智能机器视觉领域，涉及利用波片、矩形光栅或正弦光栅、滤光片及光学空间滤波器，进行空间分频、合成，产生高于100lp/mm空间频率的二维正弦结构光，结合远心镜头及高速CCD(CMOS)，以及图像处理与模式识别软件，进行人工智能机器视觉识别的一种方法和装置。

为实现上述目的，本发明普通及特殊环境的人工智能机器视觉识别方法是利用沿光路依次配置在精密丝杠8-1和精密导轨8-2的激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9组成的正弦结构光输出系统向待识别目标10投射正弦结构光；由计算机14及与之相连的远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12、内部环境控制系统13组成的视觉采集识别系统对待识别目标10进行视觉采集识别；通过内置正弦结构光输出系统和视觉采集识别系统的保护外壳15配置防辐射保护窗口对正弦结构光输出系统和视觉采集识别系统进行防辐射保护；

其中所述光束整形系统2位于激光器1的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅3位于光束整形系统2的后面，并使矩形光栅3定位在单色傅立叶变换透镜4的前焦平面上；波片6及频谱选择器5位于单色傅立叶变换透镜4的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头7的前焦平面上；高速振镜9位于单色变倍率镜头7后方输出光路上；远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12并列设置。具有结合激光测距系统，通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合由近及远的大视场范围测量的正弦结构光连续输出，兼顾远近不同距离，不同特征的静态、低速，以及高速运动物体的模式识别的优点。

作为优化，所述保护外壳15在正弦结构光输出系统前面和视觉采集识别系统前面分别配置有正弦结构光输出系统的Z字形辐射防护窗口16-1和视觉采集识别系统的Z字形辐射防护窗口16-2；

采用平行光投影输出正弦结构光，可直接对小尺寸目标物体拍摄；中等视场，使用单色变倍率镜头输出小角度非平行光正弦结构光，即可实现；大视场测量，调整单色变倍率镜头7，输出大角度非平行光正弦结构光，可以实现；或者，使用高速振镜9，大幅度扩大视场范围，高速振镜9定位于单色变倍率镜头7后面，用以输出正弦结构光投影拍摄。所有拍摄目标方式需要同一时刻的基线距离b及激光测距系统12确定的拍摄距离L₀等结构参数支持；配合高放大率镜头输出，加大投影面积；以及配合高速振镜9的扫描，实现大尺寸、大面积投影正弦结构光输出，配合远心镜头及高速CCD(CMOS)11及图像拼接技术，静态拍摄可以达到几十米的巨大范围，能够兼顾远近不同距离的低速物体模式识别，以及高速运动目标的捕捉及模式识别；获得的利用单频、双频、三频的正弦结构光投影拍摄的目标图像，不会出现频率混叠，容易实现滤波算法设计，减少软件运算量，减轻图像处理CPU的运算压力，提高识别率；将零频光能量转移到一级频谱、二级频谱、三级频谱，成倍提高局部大曲率位置的条纹密度及正弦结构光的对比度，利于获取远距离及大尺寸的清晰图像，提高模式识别率；结合激光测距系统12，实现在不同距离位置波像差的实时补偿，有效提高拍摄对象的清晰度，提高识别精度。

作为优化，所述Z字形辐射防护窗口是一个两端分别反向垂直伸出遮光端筒的遮光主筒的两拐角处分别配置一面镜面与所述遮光端筒轴线和遮光主筒轴线呈45度夹角的反射镜。保护外壳15带有正弦结构光扫描输出保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-1，及目标拍摄和测距接收输入保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-2；固定所有元件，一般设计需要防尘、防水保护，保证内部元件稳定工作及维持内部环境稳定作用；输入、输出保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-1、保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-2，根据使用特殊环境的不同选择设计对应的方式；一般的耐压、耐高温设计选择蓝宝石窗口，防紫外设计选择石英窗口，防高能粒子辐射，设计选择Z字形辐射防护窗口等，实现特殊环境需要，如超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境。即至少外端遮光端筒的外端部配置有所述蓝宝石窗口或者石英窗口或者其它其它透明材料窗口，也可以两遮光端筒的外端部都装透明窗口。所述保护外壳与所述外端遮光端筒的外端部固装或者与所述遮光主筒固装。所述两遮光端筒和遮光主筒都位于所述保护外壳内，或者仅一个遮光端筒位于保护外壳外。

作为优化，所述远心镜头及高速CCD或CMOS11、激光测距系统12同高速振镜9构成拍摄基线b，通过激光测距系统12，获得目标的实时拍摄距离L₀等结构数据参数和目标图像，并将数据传输至计算机及软件分析系统14，进行模式识别处理并存储；内部环境控制系统13将设备内部的各个参数，如温度、压力等数据传输至计算机及软件分析系统14，并受其控制，实现内部环境的稳定，保证各个元件的正常工作。

作为优化，a.首先调整激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9等器件置于精密丝杠8-1和精密导轨8-2上；远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12按照设计的基线距离b确定安装位置；内部环境控制系统13、计算机及软件分析系统14等上述元器件均安装在带有保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-1、保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-2的保护外壳15内，达到普通及特殊环境使用要求；

b.激光器1选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量，及单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7的单色匹配设计。当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7；

c.光束整形系统2，采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅3的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器1的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺；

d.矩形光栅3，要求占空比不等于1∶1，便利使用一级频谱、二级频谱及三级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率；目标简单情况，矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，此时，去掉频谱选择器5即可；

e.单色傅立叶变换透镜4和单色变倍率镜头7，均需配合激光器1的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求；

f.频谱选择器5，包括电、磁或光寻址空间光调制器SLM、数字式微反射镜器件DMD、机械式小孔均可，以方便选择一级频谱、二级频谱及三级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；在不使用矩形光栅3，以及不需要频谱选择的条件下，可去掉；选择单频、双频、三频的正弦结构光投影，不会出现频率混叠，容易实现滤波算法设计，减少软件运算量，减轻图像处理CPU的运算压力，提高识别率；

g.波片6，配合激光器1的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择一级频谱、二级频谱及三级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片，将零级频谱耦合进一级频谱、二级频谱及三级频谱，成倍提高局部大曲率位置的条纹密度及正弦结构光的对比度，有效利用零级频谱能量，利于获取远距离及大尺寸的清晰图像，提高模式识别率；

h.高速振镜9，大幅度扩大视场范围，高速振镜9定位于单色变倍率镜头7后面，实现大尺寸、大面积投影正弦结构光输出，配合远心镜头及图像拼接技术，静态拍摄可以达到几十米的巨大范围，能够兼顾远近不同距离的低速物体模式识别，以及高速运动目标的捕捉及模式识别；

i.精密丝杠8-1、精密导轨8-2，调整及固定激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9等器件；

j.远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12并列设置，同高速振镜9构成拍摄基线b，通过激光测距系统12，获得目标的实时拍摄距离L₀等结构数据参数和目标图像，实现在不同距离位置波像差的实时补偿，有效提高拍摄对象的清晰度，提高识别精度；并将数据传输至计算机及软件分析系统14，进行模式识别处理并存储；

k.内部环境控制系统13获得设备内部的各个参数，如温度、压力等数据，传输至计算机及软件分析系统14，并受其控制，实现内部环境的稳定，保证各个元件的正常工作；

l.保护外壳15，带有正弦结构光扫描输出保护窗口，及目标拍摄和测距接收输入保护窗口；固定所有元件，一般设计具有防尘、防水保护功能，保证内部元件稳定工作及维持内部环境稳定作用；特别是，如超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境，需要针对性设计；

m.保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-1、保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-2，是输出、输入保护窗口，实现正弦结构光的投影输出，识别目标对象图像的输入，以及激光测距系统12的保护窗口；根据使用特殊环境的不同选择设计对应的方式；一般的耐压、耐高温设计选择蓝宝石窗口，防紫外设计选择石英窗口，防高能粒子辐射，设计选择Z字形辐射防护窗口等，实现特殊环境需要；在超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境，需要强化设计及加工制造；

n.计算机及软件处理系统14，接收远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12、内部环境控制系统13等获得图像、测距数据和内部环境数据，并进行相应的图像、图形计算，并实现部环境的控制，以及待识别目标物的模式识别和数据输出。

是利用空间光学傅里叶分析方法，产生正弦结构光输出，投影至待识别目标表面，测量获得变形光栅条纹，辅以计算机三维成像及模式识别分析；通过保护外壳、保护窗口(Z字形辐射防护窗口)等设计，实现如超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境的使用要求。

用于实现本发明所述方法的装置包括沿光路依次配置在精密丝杠8-1和精密导轨8-2的激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9组成的正弦结构光输出系统，由计算机14及与之相连的远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12、内部环境控制系统13组成的视觉采集识别系统和与正弦结构光输出系统的输出光路和视觉采集识别系统的采集光路指向的待识别目标10；光输出系统和视觉采集识别系统配置在带防辐射保护窗口的保护外壳15内；

所述光束整形系统2位于激光器1的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅3位于光束整形系统2的后面，并使矩形光栅3定位在单色傅立叶变换透镜4的前焦平面上；波片6及频谱选择器5位于单色傅立叶变换透镜4的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头7的前焦平面上；高速振镜9位于单色变倍率镜头7后方输出光路上；远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12并列设置。具有结合激光测距系统，通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合由近及远的大视场范围测量的正弦结构光连续输出，兼顾远近不同距离，不同特征的静态、低速，以及高速运动物体的模式识别的优点。

作为优化，所述保护外壳15在正弦结构光输出系统前面和视觉采集识别系统前面分别配置有正弦结构光输出系统的Z字形辐射防护窗口16-1和视觉采集识别系统的Z字形辐射防护窗口16-2；

采用平行光投影输出正弦结构光，可直接对小尺寸目标物体拍摄；中等视场，使用单色变倍率镜头输出小角度非平行光正弦结构光，即可实现；大视场测量，调整单色变倍率镜头7，输出大角度非平行光正弦结构光，可以实现；或者，使用高速振镜9，大幅度扩大视场范围，高速振镜9定位于单色变倍率镜头7后面，用以输出正弦结构光投影拍摄。所有拍摄目标方式需要同一时刻的基线距离b及激光测距系统12确定的拍摄距离L₀等结构参数支持；配合高放大率镜头输出，加大投影面积；以及配合高速振镜9的扫描，实现大尺寸、大面积投影正弦结构光输出，配合远心镜头及高速CCD(CMOS)11及图像拼接技术，静态拍摄可以达到几十米的巨大范围，能够兼顾远近不同距离的低速物体模式识别，以及高速运动目标的捕捉及模式识别；获得的利用单频、双频、三频的正弦结构光投影拍摄的目标图像，不会出现频率混叠，容易实现滤波算法设计，减少软件运算量，减轻图像处理CPU的运算压力，提高识别率；将零频光能量转移到一级、二级频谱、三级频谱，成倍提高局部大曲率位置的条纹密度及正弦结构光的对比度，利于获取远距离及大尺寸的清晰图像，提高模式识别率；结合激光测距系统12，实现在不同距离位置波像差的实时补偿，有效提高拍摄对象的清晰度，提高识别精度。

作为优化，所述Z字形辐射防护窗口是一个两端分别反向垂直伸出遮光端筒的遮光主筒的两拐角处分别配置一面镜面与所述遮光端筒轴线和遮光主筒轴线呈45度夹角的反射镜。保护外壳15，带有正弦结构光扫描输出保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-1，及目标拍摄和测距接收输入保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-2；固定所有元件，一般设计需要防尘、防水保护，保证内部元件稳定工作及维持内部环境稳定作用；输入、输出保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-1、保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-2，根据使用特殊环境的不同选择设计对应的方式；一般的耐压、耐高温设计选择蓝宝石窗口，防紫外设计选择石英窗口，防高能粒子辐射，设计选择Z字形辐射防护窗口等，实现特殊环境需要，如超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境。即至少外端遮光端筒的外端部配置有所述蓝宝石窗口或者石英窗口或者其它其它透明材料窗口，也可以两遮光端筒的外端部都装透明窗口。所述保护外壳与所述外端遮光端筒的外端部固装或者其它其它透明材料窗口。所述保护外壳与所述外端遮光端筒的外端部固装或者与所述遮光主筒固装。所述两遮光端筒和遮光主筒都位于所述保护外壳内，或者仅一个遮光端筒位于保护外壳外。

作为优化，所述远心镜头及高速CCD或CMOS11、激光测距系统12同高速振镜9构成拍摄基线b，通过激光测距系统12，获得目标的实时拍摄距离L₀等结构数据参数和目标图像，并将数据传输至计算机及软件分析系统14，进行模式识别处理并存储；内部环境控制系统13将设备内部的各个参数，如温度、压力等数据传输至计算机及软件分析系统14，并受其控制，实现内部环境的稳定，保证各个元件的正常工作。

作为优化，具备如下探测方法：

a.首先调整激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9等器件置于精密丝杠8-1和精密导轨8-2上；远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12按照设计的基线距离b确定安装位置；内部环境控制系统13、计算机及软件分析系统14等上述元器件均安装在带有保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-1、保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-2的保护外壳15内，达到普通及特殊环境使用要求；

b.激光器1选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量，及单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7的单色匹配设计。当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7；

c.光束整形系统2，采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅3的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器1的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺；

d.矩形光栅3，要求占空比不等于1∶1，便利使用一级频谱、二级频谱及三级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率；目标简单情况，矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，此时，去掉频谱选择器5即可；

e.单色傅立叶变换透镜4和单色变倍率镜头7，均需配合激光器1的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求；

f.频谱选择器5，包括电、磁或光寻址空间光调制器SLM、数字式微反射镜器件DMD、机械式小孔均可，以方便选择一级频谱、二级频谱及三级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；在不使用矩形光栅3，以及不需要频谱选择的条件下，可去掉；选择单频、双频、三频的正弦结构光投影，不会出现频率混叠，容易实现滤波算法设计，减少软件运算量，减轻图像处理CPU的运算压力，提高识别率；

g.波片6，配合激光器1的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择一级频谱、二级频谱及三级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片，将零级频谱耦合进一级频谱、二级频谱及三级频谱，成倍提高局部大曲率位置的条纹密度及正弦结构光的对比度，有效利用零级频谱能量，利于获取远距离及大尺寸的清晰图像，提高模式识别率；

h.高速振镜9，大幅度扩大视场范围，高速振镜9定位于单色变倍率镜头7后面，实现大尺寸、大面积投影正弦结构光输出，配合远心镜头及图像拼接技术，静态拍摄可以达到几十米的巨大范围，能够兼顾远近不同距离的低速物体模式识别，以及高速运动目标的捕捉及模式识别；

i.精密丝杠8-1、精密导轨8-2，调整及固定激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9等器件；

j.远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12并列设置，同高速振镜9构成拍摄基线b，通过激光测距系统12，获得目标的实时拍摄距离L₀等结构数据参数和目标图像，实现在不同距离位置波像差的实时补偿，有效提高拍摄对象的清晰度，提高识别精度；并将数据传输至计算机及软件分析系统14，进行模式识别处理并存储；

k.内部环境控制系统13获得设备内部的各个参数，如温度、压力等数据，传输至计算机及软件分析系统14，并受其控制，实现内部环境的稳定，保证各个元件的正常工作；

l.保护外壳15，带有正弦结构光扫描输出保护窗口，及目标拍摄和测距接收输入保护窗口；固定所有元件，一般设计具有防尘、防水保护功能，保证内部元件稳定工作及维持内部环境稳定作用；特别是，如超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境，需要针对性设计；

m.保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-1、保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-2，是输出、输入保护窗口，实现正弦结构光的投影输出，识别目标对象图像的输入，以及激光测距系统12的保护窗口；根据使用特殊环境的不同选择设计对应的方式；一般的耐压、耐高温设计选择蓝宝石窗口，防紫外设计选择石英窗口，防高能粒子辐射，设计选择Z字形辐射防护窗口等，实现特殊环境需要；在超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境，需要强化设计及加工制造；

n.计算机及软件处理系统14，接收远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12、内部环境控制系统13等获得图像、测距数据和内部环境数据，并进行相应的图像、图形计算，并实现部环境的控制，以及待识别目标物的模式识别和数据输出。

具体是使用占空比精确控制制造的矩形光栅，进行空间分频，结合频谱选择器，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦结构光的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差；结合激光测距系统，通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合由近及远的大视场范围测量的正弦结构光连续输出，兼顾远近不同距离，不同特征的静态、低速，以及高速运动物体的模式识别。

使用输出的二维正弦结构光，直接投影至被待识别目标，均匀分布的正弦结构光受到被记录物体的表面形貌调制，直接产生变形的栅线，将目标物体的相位信息用变形的栅线记录为强度分布编码，原理如下：

若采用缝宽a，光栅常数d，长L的矩形光栅，则光栅透过率表示为：

经光学空间傅里叶变换后的频谱为：

再经光学空间傅里叶变换后的投影输出图像构成是：

将根据(3)式原理，将获得的正弦结构光投影到待识别三维物体表面，被表面形貌调制后的变形光栅条纹为：

物体的高度信息，通过远心镜头，被高速CCD(CMOS)记录为疏密不同的条纹信息，实现相位编码记录：

获得的数字化图像，投影的空间频率结构单一，容易快速的通过软件滤波，减轻图像处理CPU的压力，容易快速实现多目标、多模式识别。

由(3)式，根据光谱级次n，可知投影正弦结构光条纹密度比为1∶2∶3；目标物体的高度信息能够分别用一级，二级，以及三级光谱的正弦结构光记录，滤波算法容易针对单一的目标频率设计。

若采用40lp/mm矩形光栅，则输出二维正弦结构光的栅线密度可达40lp/mm以上，物体的细节位置，局部利用2倍频、3倍频倍增条纹密度，投影二维正弦结构光的栅线密度可达120lp/mm以上，结合变倍率镜头输出，栅线密度还能继续大幅度提高。

若为低速物体的模式识别，使用高速振镜扫描、远心镜头及图像拼接技术，能够实现大尺寸物体拍摄分析；若为高速运动物体，可以配合高速CCD(CMOS)实现。

静态及动态目标模式识别，根据目标的分辨率及拍摄范围，采用可变基线距离b方式，或者固定基线距离b方式，确定高速振镜同远心镜头及高速CCD(CMOS)之间的基线距离b；以及通过激光测距系统确定同一时刻的拍摄距离L₀；为模式识别提供拍摄的基础结构数据；

特殊环境应用，如超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境；需要配合相应的保护外壳，以及保护窗口实现；同时，通过相应的内部环境控制系统设计，实现各个元件的正常、稳定工作。

本发明装置包括：激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠8-1、精密导轨8-2、高速振镜9、待识别目标10、远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12、内部环境控制系统13、计算机及软件分析系统14、保护外壳15、保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-1、保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-2。

光束整形系统位于激光器的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅位于光束整形系统的后面，并使矩形光栅定位在单色傅立叶变换透镜的前焦平面上；波片及频谱选择器位于单色傅立叶变换透镜的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头的前焦平面上；高速振镜位于单色变倍率镜头后方输出光路上；上述元器件全部位于精密丝杠和精密导轨组上；

远心镜头及高速CCD(CMOS)、激光测距系统并列设置，同高速振镜构成拍摄基线b，通过激光测距系统，获得目标的实时拍摄距离L₀等结构数据参数和目标图像，并将数据传输至计算机及软件分析系统，进行模式识别处理并存储；

获得的利用单频、双频、三频的正弦结构光投影拍摄的目标图像，不会出现频率混叠，容易实现滤波算法设计，减少软件运算量，减轻图像处理CPU的运算压力，提高识别率；将零频光能量转移到一级、二级频谱、三级频谱，成倍提高局部大曲率位置的条纹密度及正弦结构光的对比度，利于获取远距离及大尺寸的清晰图像，提高模式识别率；结合激光测距系统，实现在不同距离位置波像差的实时补偿，有效提高拍摄对象的清晰度，提高识别精度；

内部环境控制系统将设备内部的各个参数，如温度、压力等数据传输至计算机及软件分析系统，并受其控制，实现内部环境的稳定，保证各个元件的正常工作；

保护外壳，带有正弦结构光扫描输出保护窗口，及目标拍摄和测距接收输入保护窗口；固定所有元件，一般设计需要防尘、防水保护，保证内部元件稳定工作及维持内部环境稳定作用；特别是，如超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境；

输入、输出保护窗口，根据使用特殊环境的不同选择设计对应的方式；一般的耐压、耐高温设计选择蓝宝石窗口，防紫外设计选择石英窗口，防高能粒子辐射，设计选择Z字形辐射防护窗口等，实现特殊环境需要，如超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境。

采用平行光投影输出正弦结构光，可直接对小尺寸目标物体拍摄；中等视场，使用单色变倍率镜头输出小角度非平行光正弦结构光，即可实现；大视场测量，调整单色变倍率镜头，输出大角度非平行光正弦结构光，可以实现；或者，使用高速振镜，大幅度扩大视场范围，高速振镜定位于单色变倍率镜头后面，用以输出正弦结构光投影拍摄；所有拍摄目标方式，均需要同一时刻的基线距离b及激光测距系统确定的拍摄距离L₀等结构参数支持；配合高放大率镜头输出，加大投影面积；以及配合高速振镜的扫描，实现大尺寸、大面积投影正弦结构光输出，配合远心镜头及图像拼接技术，静态拍摄可以达到几十米的巨大范围，能够兼顾远近不同距离的低速物体模式识别，以及高速运动目标的捕捉及模式识别。

本发明的优点：本发明针对背景技术中，人工智能机器视觉识别方法图形图像识别算法运算量大，且识别对象特征单一，识别率低；以及使用通用设备，而不适合于超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境使用等问题。

提出使用占空比精确控制制造的矩形光栅，进行空间分频，结合频谱选择器，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦结构光的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差；分频投影方式，不会出现频率混叠，容易实现滤波算法设计，减少软件运算量，减轻图像处理CPU的运算压力；零频光能量的有效利用，提高局部大曲率位置的条纹密度及正弦结构光的对比度，利于获取远距离及大尺寸的清晰图像，提高模式识别率；利用激光测距系统，实现在不同距离位置波像差的实时补偿，有效提高拍摄对象的清晰度，提高识别精度；

采用上述技术方案后，本发明普通及特殊环境的人工智能机器视觉识别方法及装置具有结合激光测距系统，通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合由近及远的大视场范围测量的正弦结构光连续输出，兼顾远近不同距离，不同特征的静态、低速，以及高速运动物体的模式识别的优点。

附图说明

图1是用于实现本发明普通及特殊环境的人工智能机器视觉识别方法的装置结构示意图；

图2是图1装置中Z字形辐射防护窗口结构示意图。

具体实施方式

本发明普通及特殊环境的人工智能机器视觉识别方法是利用沿光路依次配置在精密丝杠8-1和精密导轨8-2的激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9组成的正弦结构光输出系统向待识别目标10投射正弦结构光；由计算机14及与之相连的远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12、内部环境控制系统13组成的视觉采集识别系统对待识别目标10进行视觉采集识别；通过内置正弦结构光输出系统和视觉采集识别系统的保护外壳15配置防辐射保护窗口对正弦结构光输出系统和视觉采集识别系统进行防辐射保护；

其中所述光束整形系统2位于激光器1的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅3位于光束整形系统2的后面，并使矩形光栅3定位在单色傅立叶变换透镜4的前焦平面上；波片6及频谱选择器5位于单色傅立叶变换透镜4的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头7的前焦平面上；高速振镜9位于单色变倍率镜头7后方输出光路上；远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12并列设置。具有结合激光测距系统，通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合由近及远的大视场范围测量的正弦结构光连续输出，兼顾远近不同距离，不同特征的静态、低速，以及高速运动物体的模式识别的优点。

所述保护外壳15在正弦结构光输出系统前面和视觉采集识别系统前面分别配置有正弦结构光输出系统的Z字形辐射防护窗口16-1和视觉采集识别系统的Z字形辐射防护窗口16-2；所述Z字形辐射防护窗口是一个两端分别反向垂直伸出遮光端筒的遮光主筒的两拐角处分别配置一面镜面与所述遮光端筒轴线和遮光主筒轴线呈45度夹角的反射镜。保护外壳15带有正弦结构光扫描输出保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-1，及目标拍摄和测距接收输入保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-2；固定所有元件，一般设计需要防尘、防水保护，保证内部元件稳定工作及维持内部环境稳定作用；输入、输出保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-1、保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-2，根据使用特殊环境的不同选择设计对应的方式；一般的耐压、耐高温设计选择蓝宝石窗口，防紫外设计选择石英窗口，防高能粒子辐射，设计选择Z字形辐射防护窗口等，实现特殊环境需要，如超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境。即至少外端遮光端筒的外端部配置有所述蓝宝石窗口或者石英窗口或者其它其它透明材料窗口，也可以两遮光端筒的外端部都装透明窗口。所述保护外壳与所述外端遮光端筒的外端部固装或者其它其它透明材料窗口。所述保护外壳与所述外端遮光端筒的外端部固装或者与所述遮光主筒固装。所述两遮光端筒和遮光主筒都位于所述保护外壳内，或者仅一个遮光端筒位于保护外壳外。

采用平行光投影输出正弦结构光，可直接对小尺寸目标物体拍摄；中等视场，使用单色变倍率镜头输出小角度非平行光正弦结构光，即可实现；大视场测量，调整单色变倍率镜头7，输出大角度非平行光正弦结构光，可以实现；或者，使用高速振镜9，大幅度扩大视场范围，高速振镜9定位于单色变倍率镜头7后面，用以输出正弦结构光投影拍摄。所有拍摄目标方式需要同一时刻的基线距离b及激光测距系统12确定的拍摄距离L₀等结构参数支持；配合高放大率镜头输出，加大投影面积；以及配合高速振镜9的扫描，实现大尺寸、大面积投影正弦结构光输出，配合远心镜头及高速CCD(CMOS)11及图像拼接技术，静态拍摄可以达到几十米的巨大范围，能够兼顾远近不同距离的低速物体模式识别，以及高速运动目标的捕捉及模式识别；获得的利用单频、双频、三频的正弦结构光投影拍摄的目标图像，不会出现频率混叠，容易实现滤波算法设计，减少软件运算量，减轻图像处理CPU的运算压力，提高识别率；将零频光能量转移到一级、二级频谱、三级频谱，成倍提高局部大曲率位置的条纹密度及正弦结构光的对比度，利于获取远距离及大尺寸的清晰图像，提高模式识别率；结合激光测距系统12，实现在不同距离位置波像差的实时补偿，有效提高拍摄对象的清晰度，提高识别精度。

所述远心镜头及高速CCD或CMOS11、激光测距系统12同高速振镜9构成拍摄基线b，通过激光测距系统12，获得目标的实时拍摄距离L₀等结构数据参数和目标图像，并将数据传输至计算机及软件分析系统14，进行模式识别处理并存储；内部环境控制系统13将设备内部的各个参数，如温度、压力等数据传输至计算机及软件分析系统14，并受其控制，实现内部环境的稳定，保证各个元件的正常工作。

a.首先调整激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9等器件置于精密丝杠8-1和精密导轨8-2上；远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12按照设计的基线距离b确定安装位置；内部环境控制系统13、计算机及软件分析系统14等上述元器件均安装在带有保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-1、保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-2的保护外壳15内，达到普通及特殊环境使用要求；

b.激光器1选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量，及单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7的单色匹配设计。当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7；

c.光束整形系统2，采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅3的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器1的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺；

d.矩形光栅3，要求占空比不等于1∶1，便利使用一级频谱、二级频谱及三级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率；目标简单情况，矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，此时，去掉频谱选择器5即可；

e.单色傅立叶变换透镜4和单色变倍率镜头7，均需配合激光器1的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求；

f.频谱选择器5，包括电、磁或光寻址空间光调制器SLM、数字式微反射镜器件DMD、机械式小孔均可，以方便选择一级频谱、二级频谱及三级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；在不使用矩形光栅3，以及不需要频谱选择的条件下，可去掉；选择单频、双频、三频的正弦结构光投影，不会出现频率混叠，容易实现滤波算法设计，减少软件运算量，减轻图像处理CPU的运算压力，提高识别率；

g.波片6，配合激光器1的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择一级频谱、二级频谱及三级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片，将零级频谱耦合进一级频谱、二级频谱及三级频谱，成倍提高局部大曲率位置的条纹密度及正弦结构光的对比度，有效利用零级频谱能量，利于获取远距离及大尺寸的清晰图像，提高模式识别率；

h.高速振镜9，大幅度扩大视场范围，高速振镜9定位于单色变倍率镜头7后面，实现大尺寸、大面积投影正弦结构光输出，配合远心镜头及图像拼接技术，静态拍摄可以达到几十米的巨大范围，能够兼顾远近不同距离的低速物体模式识别，以及高速运动目标的捕捉及模式识别；

i.精密丝杠8-1、精密导轨8-2，调整及固定激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9等器件；

j.远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12并列设置，同高速振镜9构成拍摄基线b，通过激光测距系统12，获得目标的实时拍摄距离L₀等结构数据参数和目标图像，实现在不同距离位置波像差的实时补偿，有效提高拍摄对象的清晰度，提高识别精度；并将数据传输至计算机及软件分析系统14，进行模式识别处理并存储；

k.内部环境控制系统13获得设备内部的各个参数，如温度、压力等数据，传输至计算机及软件分析系统14，并受其控制，实现内部环境的稳定，保证各个元件的正常工作；

l.保护外壳15，带有正弦结构光扫描输出保护窗口，及目标拍摄和测距接收输入保护窗口；固定所有元件，一般设计具有防尘、防水保护功能，保证内部元件稳定工作及维持内部环境稳定作用；特别是，如超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境，需要针对性设计；

m.保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-1、保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-2，是输出、输入保护窗口，实现正弦结构光的投影输出，识别目标对象图像的输入，以及激光测距系统12的保护窗口；根据使用特殊环境的不同选择设计对应的方式；一般的耐压、耐高温设计选择蓝宝石窗口，防紫外设计选择石英窗口，防高能粒子辐射，设计选择Z字形辐射防护窗口等，实现特殊环境需要；在超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境，需要强化设计及加工制造；

n.计算机及软件处理系统14，接收远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12、内部环境控制系统13等获得图像、测距数据和内部环境数据，并进行相应的图像、图形计算，并实现部环境的控制，以及待识别目标物的模式识别和数据输出。

如图所示，用于实现本发明所述方法的装置包括沿光路依次配置在精密丝杠8-1和精密导轨8-2的激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9组成的正弦结构光输出系统，由计算机14及与之相连的远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12、内部环境控制系统13组成的视觉采集识别系统和与正弦结构光输出系统的输出光路和视觉采集识别系统的采集光路指向的待识别目标10；正弦结构光输出系统和视觉采集识别系统配置在带防辐射保护窗口的保护外壳15内；

所述光束整形系统2位于激光器1的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅3位于光束整形系统2的后面，并使矩形光栅3定位在单色傅立叶变换透镜4的前焦平面上；波片6及频谱选择器5位于单色傅立叶变换透镜4的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头7的前焦平面上；高速振镜9位于单色变倍率镜头7后方输出光路上；远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12并列设置。具有结合激光测距系统，通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合由近及远的大视场范围测量的正弦结构光连续输出，兼顾远近不同距离，不同特征的静态、低速，以及高速运动物体的模式识别的优点。

所述保护外壳15在正弦结构光输出系统前面和视觉采集识别系统前面分别配置有正弦结构光输出系统的Z字形辐射防护窗口16-1和视觉采集识别系统的Z字形辐射防护窗口16-2；所述Z字形辐射防护窗口是一个两端分别反向垂直伸出遮光端筒的遮光主筒的两拐角处分别配置一面镜面与所述遮光端筒轴线和遮光主筒轴线呈45度夹角的反射镜。保护外壳15，带有正弦结构光扫描输出保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-1，及目标拍摄和测距接收输入保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-2；固定所有元件，一般设计需要防尘、防水保护，保证内部元件稳定工作及维持内部环境稳定作用；输入、输出保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-1、保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-2，根据使用特殊环境的不同选择设计对应的方式；一般的耐压、耐高温设计选择蓝宝石窗口，防紫外设计选择石英窗口，防高能粒子辐射，设计选择Z字形辐射防护窗口等，实现特殊环境需要，如超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境。即至少外端遮光端筒的外端部配置有所述蓝宝石窗口或者石英窗口或者其它其它透明材料窗口，也可以两遮光端筒的外端部都装透明窗口。所述保护外壳与所述外端遮光端筒的外端部固装或者其它其它透明材料窗口。所述保护外壳与所述外端遮光端筒的外端部固装或者与所述遮光主筒固装。所述两遮光端筒和遮光主筒都位于所述保护外壳内，或者仅一个遮光端筒位于保护外壳外。

采用平行光投影输出正弦结构光，可直接对小尺寸目标物体拍摄；中等视场，使用单色变倍率镜头输出小角度非平行光正弦结构光，即可实现；大视场测量，调整单色变倍率镜头7，输出大角度非平行光正弦结构光，可以实现；或者，使用高速振镜9，大幅度扩大视场范围，高速振镜9定位于单色变倍率镜头7后面，用以输出正弦结构光投影拍摄。所有拍摄目标方式需要同一时刻的基线距离b及激光测距系统12确定的拍摄距离L₀等结构参数支持；配合高放大率镜头输出，加大投影面积；以及配合高速振镜9的扫描，实现大尺寸、大面积投影正弦结构光输出，配合远心镜头及高速CCD(CMOS)11及图像拼接技术，静态拍摄可以达到几十米的巨大范围，能够兼顾远近不同距离的低速物体模式识别，以及高速运动目标的捕捉及模式识别；获得的利用单频、双频、三频的正弦结构光投影拍摄的目标图像，不会出现频率混叠，容易实现滤波算法设计，减少软件运算量，减轻图像处理CPU的运算压力，提高识别率；将零频光能量转移到一级、二级频谱、三级频谱，成倍提高局部大曲率位置的条纹密度及正弦结构光的对比度，利于获取远距离及大尺寸的清晰图像，提高模式识别率；结合激光测距系统12，实现在不同距离位置波像差的实时补偿，有效提高拍摄对象的清晰度，提高识别精度。

所述远心镜头及高速CCD或CMOS11、激光测距系统12同高速振镜9构成拍摄基线b，通过激光测距系统12，获得目标的实时拍摄距离L₀等结构数据参数和目标图像，并将数据传输至计算机及软件分析系统14，进行模式识别处理并存储；内部环境控制系统13将设备内部的各个参数，如温度、压力等数据传输至计算机及软件分析系统14，并受其控制，实现内部环境的稳定，保证各个元件的正常工作。

当采用本发明装置进行视觉识别时：

a.首先调整激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9等器件置于精密丝杠8-1和精密导轨8-2上；远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12按照设计的基线距离b确定安装位置；内部环境控制系统13、计算机及软件分析系统14等上述元器件均安装在带有保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-1、保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-2的保护外壳15内，达到普通及特殊环境使用要求；

b.激光器1选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量，及单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7的单色匹配设计。当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7；

c.光束整形系统2，采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅3的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器1的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺；

d.矩形光栅3，要求占空比不等于1∶1，便利使用一级频谱、二级频谱及三级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率；目标简单情况，矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，此时，去掉频谱选择器5即可；

e.单色傅立叶变换透镜4和单色变倍率镜头7，均需配合激光器1的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求；

f.频谱选择器5，包括电、磁或光寻址空间光调制器SLM、数字式微反射镜器件DMD、机械式小孔均可，以方便选择一级频谱、二级频谱及三级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；在不使用矩形光栅3，以及不需要频谱选择的条件下，可去掉；选择单频、双频、三频的正弦结构光投影，不会出现频率混叠，容易实现滤波算法设计，减少软件运算量，减轻图像处理CPU的运算压力，提高识别率；

g.波片6，配合激光器1的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择一级频谱、二级频谱及三级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片，将零级频谱耦合进一级频谱、二级频谱及三级频谱，成倍提高局部大曲率位置的条纹密度及正弦结构光的对比度，有效利用零级频谱能量，利于获取远距离及大尺寸的清晰图像，提高模式识别率；

h.高速振镜9，大幅度扩大视场范围，高速振镜9定位于单色变倍率镜头7后面，实现大尺寸、大面积投影正弦结构光输出，配合远心镜头及图像拼接技术，静态拍摄可以达到几十米的巨大范围，能够兼顾远近不同距离的低速物体模式识别，以及高速运动目标的捕捉及模式识别；

i.精密丝杠8-1、精密导轨8-2，调整及固定激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9等器件；

j.远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12并列设置，同高速振镜9构成拍摄基线b，通过激光测距系统12，获得目标的实时拍摄距离L₀等结构数据参数和目标图像，实现在不同距离位置波像差的实时补偿，有效提高拍摄对象的清晰度，提高识别精度；并将数据传输至计算机及软件分析系统14，进行模式识别处理并存储；

k.内部环境控制系统13获得设备内部的各个参数，如温度、压力等数据，传输至计算机及软件分析系统14，并受其控制，实现内部环境的稳定，保证各个元件的正常工作；

l.保护外壳15，带有正弦结构光扫描输出保护窗口，及目标拍摄和测距接收输入保护窗口；固定所有元件，一般设计具有防尘、防水保护功能，保证内部元件稳定工作及维持内部环境稳定作用；特别是，如超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境，需要针对性设计；

m.保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-1、保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-2，是输出、输入保护窗口，实现正弦结构光的投影输出，识别目标对象图像的输入，以及激光测距系统12的保护窗口；根据使用特殊环境的不同选择设计对应的方式；一般的耐压、耐高温设计选择蓝宝石窗口，防紫外设计选择石英窗口，防高能粒子辐射，设计选择Z字形辐射防护窗口等，实现特殊环境需要；在超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境，需要强化设计及加工制造；

n.计算机及软件处理系统14，接收远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12、内部环境控制系统13等获得图像、测距数据和内部环境数据，并进行相应的图像、图形计算，并实现部环境的控制，以及待识别目标物的模式识别和数据输出。

具体是使用占空比精确控制制造的矩形光栅，进行空间分频，结合频谱选择器，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦结构光的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差；结合激光测距系统，通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合由近及远的大视场范围测量的正弦结构光连续输出，兼顾远近不同距离，不同特征的静态、低速，以及高速运动物体的模式识别。

使用输出的二维正弦结构光，直接投影至被待识别目标，均匀分布的正弦结构光受到被记录物体的表面形貌调制，直接产生变形的栅线，将目标物体的相位信息用变形的栅线记录为强度分布编码，原理如下：

若采用缝宽a，光栅常数d，长L的矩形光栅，则光栅透过率表示为：

经光学空间傅里叶变换后的频谱为：

再经光学空间傅里叶变换后的投影输出图像构成是：

将根据(3)式原理，将获得的正弦结构光投影到待识别三维物体表面，被表面形貌调制后的变形光栅条纹为：

物体的高度信息，通过远心镜头，被高速CCD(CMOS)记录为疏密不同的条纹信息，实现相位编码记录：

获得的数字化图像，投影的空间频率结构单一，容易快速的通过软件滤波，减轻图像处理CPU的压力，容易快速实现多目标、多模式识别。

由(3)式，根据光谱级次n，可知投影正弦结构光条纹密度比为1∶2∶3；目标物体的高度信息能够分别用一级，二级，以及三级光谱的正弦结构光记录，滤波算法容易针对单一的目标频率设计。

若采用40lp/mm矩形光栅，则输出二维正弦结构光的栅线密度可达40lp/mm以上，物体的细节位置，局部利用2倍频、3倍频倍增条纹密度，投影二维正弦结构光的栅线密度可达120lp/mm以上，结合变倍率镜头输出，栅线密度还能继续大幅度提高。

若为低速物体的模式识别，使用高速振镜扫描、远心镜头及图像拼接技术，能够实现大尺寸物体拍摄分析；若为高速运动物体，可以配合高速CCD(CMOS)实现。

静态及动态目标模式识别，根据目标的分辨率及拍摄范围，采用可变基线距离b方式，或者固定基线距离b方式，确定高速振镜同远心镜头及高速CCD(CMOS)之间的基线距离b；以及通过激光测距系统确定同一时刻的拍摄距离L₀；为模式识别提供拍摄的基础结构数据；

特殊环境应用，如超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境；需要配合相应的保护外壳，以及保护窗口实现；同时，通过相应的内部环境控制系统设计，实现各个元件的正常、稳定工作。

本发明装置包括：激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠8-1、精密导轨8-2、高速振镜9、待识别目标10、远心镜头及高速CCD(CMOS)11、激光测距系统12、内部环境控制系统13、计算机及软件分析系统14、保护外壳15、保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-1、保护窗口(Z字形辐射防护窗口)16-2。

光束整形系统位于激光器的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅位于光束整形系统的后面，并使矩形光栅定位在单色傅立叶变换透镜的前焦平面上；波片及频谱选择器位于单色傅立叶变换透镜的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头的前焦平面上；高速振镜位于单色变倍率镜头后方输出光路上；上述元器件全部位于精密丝杠和精密导轨组上；

远心镜头及高速CCD(CMOS)、激光测距系统并列设置，同高速振镜构成拍摄基线b，通过激光测距系统，获得目标的实时拍摄距离L₀等结构数据参数和目标图像，并将数据传输至计算机及软件分析系统，进行模式识别处理并存储；

获得的利用单频、双频、三频的正弦结构光投影拍摄的目标图像，不会出现频率混叠，容易实现滤波算法设计，减少软件运算量，减轻图像处理CPU的运算压力，提高识别率；将零频光能量转移到一级、二级频谱、三级频谱，成倍提高局部大曲率位置的条纹密度及正弦结构光的对比度，利于获取远距离及大尺寸的清晰图像，提高模式识别率；结合激光测距系统，实现在不同距离位置波像差的实时补偿，有效提高拍摄对象的清晰度，提高识别精度；

内部环境控制系统将设备内部的各个参数，如温度、压力等数据传输至计算机及软件分析系统，并受其控制，实现内部环境的稳定，保证各个元件的正常工作；

保护外壳，带有正弦结构光扫描输出保护窗口，及目标拍摄和测距接收输入保护窗口；固定所有元件，一般设计需要防尘、防水保护，保证内部元件稳定工作及维持内部环境稳定作用；特别是，如超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境；

输入、输出保护窗口，根据使用特殊环境的不同选择设计对应的方式；一般的耐压、耐高温设计选择蓝宝石窗口，防紫外设计选择石英窗口，防高能粒子辐射，设计选择Z字形辐射防护窗口等，实现特殊环境需要，如超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境。

Claims (10)

1.一种普通及特殊环境的人工智能机器视觉识别方法，其特征在于利用沿光路依次配置在精密丝杠(8-1)和精密导轨(8-2)的激光器(1)、光束整形系统(2)、矩形光栅(3)、单色傅立叶变换透镜(4)、频谱选择器(5)、波片(6)、单色变倍率镜头(7)、高速振镜(9)组成的光输出系统向待识别目标(10)投射正弦结构光；由计算机(14)及与之相连的远心镜头及高速CCD或CMOS(11)、激光测距系统(12)、内部环境控制系统(13)组成的视觉采集识别系统对待识别目标(10)进行视觉采集识别；通过内置光输出系统和视觉采集识别系统的保护外壳(15)配置防辐射保护窗口对光输出系统和视觉采集识别系统进行防辐射保护；

其中所述光束整形系统(2)位于激光器(1)的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅(3)位于光束整形系统(2)的后面，并使矩形光栅(3)定位在单色傅立叶变换透镜(4)的前焦平面上；波片(6)及频谱选择器(5)位于单色傅立叶变换透镜(4)的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头(7)的前焦平面上；高速振镜(9)位于单色变倍率镜头(7)后方输出光路上；远心镜头及高速CCD或CMOS(11)、激光测距系统(12)并列设置。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于所述保护外壳(15)在光输出系统前面和视觉采集识别系统前面分别配置有光输出系统的Z字形辐射防护窗口(16-1)和视觉采集识别系统的Z字形辐射防护窗口(16-2)；

采用平行光投影输出正弦结构光，可直接对小尺寸目标物体拍摄；中等视场，使用单色变倍率镜头输出小角度非平行光正弦结构光，即可实现；大视场测量，调整单色变倍率镜头(7)，输出大角度非平行光正弦结构光，可以实现；或者，使用高速振镜(9)，大幅度扩大视场范围，高速振镜(9)定位于单色变倍率镜头(7)后面，用以输出正弦结构光投影拍摄。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于所述光输出系统的和视觉采集识别系统的Z字形辐射防护窗口是在两端分别反向垂直伸出遮光端筒的遮光主筒的两拐角处，分别配置一面与所述遮光端筒轴线和遮光主筒轴线呈45度夹角的反射镜。

4.根据权利要求1-3任一所述方法，其特征在于所述远心镜头及高速CCD或CMOS(11)、激光测距系统(12)同高速振镜(9)构成拍摄基线b，通过激光测距系统(12)，获得目标的实时拍摄距离L₀结构数据参数和目标图像，并将数据传输至计算机(14)，进行模式识别处理并存储；内部环境控制系统(13)将设备内部的各个参数数据传输至计算机(14)，并受其控制，实现内部环境的稳定，保证各个元件的正常工作。

5.根据权利要求1-3任一所述方法，其特征在于

a.首先调整激光器(1)、光束整形系统(2)、矩形光栅(3)、单色傅立叶变换透镜(4)、频谱选择器(5)、波片(6)、单色变倍率镜头(7)、高速振镜(9)置于精密丝杠(8-1)和精密导轨(8-2)上；远心镜头及高速CCD或CMOS(11)、激光测距系统(12)按照设计的基线距离b确定安装位置；内部环境控制系统(13)、计算机(14)安装在带光输出系统的Z字形辐射防护窗口(16-1)和视觉采集识别系统的Z字形辐射防护窗口(16-2)的保护外壳(15)内，达到普通及特殊环境使用要求；

b.激光器(1)选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量，及单色傅立叶变换透镜(4)、波片(6)、单色变倍率镜头(7)的单色匹配设计；当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜(4)、波片(6)、单色变倍率镜头(7)；

c.光束整形系统(2)采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅(3)的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器(1)的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺；

d.矩形光栅(3)要求占空比不等于1：1，便利使用一级频谱、二级频谱及三级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率；目标简单的情况下，矩形光栅更换为正弦光栅，同时，去掉频谱选择器(5)；

e.单色傅立叶变换透镜(4)和单色变倍率镜头(7)均需配合激光器(1)的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求；

f.频谱选择器(5)是电、磁或光寻址空间光调制器(SLM)，数字式微反射镜器件(DMD)，或机械式小孔；以方便选择一级频谱、二级频谱及三级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；

g.波片(6)配合激光器(1)的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择一级频谱、二级频谱及三级频谱，和选择1/4波片或1/2波片，将零级频谱耦合进一级频谱、二级频谱及三级频谱，成倍提高局部大曲率位置的条纹密度及正弦结构光的对比度，有效利用零级频谱能量，利于获取远距离及大尺寸的清晰图像，提高模式识别率；

h.高速振镜(9)大幅度扩大视场范围，高速振镜(9)定位于单色变倍率镜头(7)后面，实现大尺寸、大面积投影正弦结构光输出，配合远心镜头及图像拼接技术，静态拍摄可以达到几十米的巨大范围，能够兼顾远近不同距离的低速物体模式识别，以及高速运动目标的捕捉及模式识别；

i.精密丝杠(8-1)和精密导轨(8-2)，调整及固定激光器(1)和光束整形系统(2)、矩形光栅(3)、单色傅立叶变换透镜(4)、频谱选择器(5)、波片(6)、单色变倍率镜头(7)及高速振镜(9)；

j.远心镜头及高速CCD或CMOS(11)、激光测距系统(12)并列设置，同高速振镜(9)构成拍摄基线b，通过激光测距系统(12)，获得目标的实时拍摄距离L₀结构数据参数和目标图像，实现在不同距离位置波像差的实时补偿，有效提高拍摄对象的清晰度，提高识别精度；并将数据传输至计算机(14)，进行模式识别处理并存储；

k.内部环境控制系统(13)获得设备内部的各个参数数据，传输至计算机(14)，并受其控制，实现内部环境的稳定，保证各个元件的正常工作；

I.保护外壳(15)带有正弦结构光扫描输出保护窗口，及目标拍摄和测距接收输入保护窗口；固定所有元件，设计具有防尘、防水保护功能，保证内部元件稳定工作及维持内部环境稳定作用的特殊环境，需要针对性设计；

m.所述保护外壳(15)在光输出系统前面和视觉采集识别系统前面分别配置有光输出系统的Z字形辐射防护窗口(16-1)和视觉采集识别系统的Z字形辐射防护窗口(16-2)，光输出系统的Z字形辐射防护窗口(16-1)和视觉采集识别系统的Z字形辐射防护窗口(16-2)分别是光输出系统的输出、视觉采集识别系统的输入保护窗口，实现正弦结构光的投影输出，识别目标对象图像的输入，以及激光测距系统(12)的保护窗口；

n.计算机(14)接收远心镜头及高速CCD或CMOS(11)、激光测距系统(12)、内部环境控制系统(13)获得图像、测距数据和内部环境数据，并进行相应的图像、图形计算，并实现环境的控制，以及待识别目标物的模式识别和数据输出。

6.用于实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于包括沿光路依次配置在精密丝杠(8-1)和精密导轨(8-2)的激光器(1)、光束整形系统(2)、矩形光栅(3)、单色傅立叶变换透镜(4)、频谱选择器(5)、波片(6)、单色变倍率镜头(7)、高速振镜(9)组成的光输出系统，由计算机(14)及与之相连的远心镜头及高速CCD或CMOS(11)、激光测距系统(12)、内部环境控制系统(13)组成的视觉采集识别系统和光输出系统的输出光路及视觉采集识别系统的采集光路指向的待识别目标(10)；光输出系统和视觉采集识别系统配置在带防辐射保护窗口的保护外壳(15)内；

所述光束整形系统(2)位于激光器(1)的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅(3)位于光束整形系统(2)的后面，并使矩形光栅(3)定位在单色傅立叶变换透镜(4)的前焦平面上；波片(6)及频谱选择器(5)位于单色傅立叶变换透镜(4)的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头(7)的前焦平面上；高速振镜(9)位于单色变倍率镜头(7)后方输出光路上；远心镜头及高速CCD或CMOS(11)、激光测距系统(12)并列设置。

7.根据权利要求6所述装置，其特征在于所述保护外壳(15)在光输出系统前面和视觉采集识别系统前面分别配置有光输出系统的Z字形辐射防护窗口(16-1)和视觉采集识别系统的Z字形辐射防护窗口(16-2)；

采用平行光投影输出正弦结构光，可直接对小尺寸目标物体拍摄；中等视场，使用单色变倍率镜头输出小角度非平行光正弦结构光，即可实现；大视场测量，调整单色变倍率镜头(7)，输出大角度非平行光正弦结构光，可以实现；或者，使用高速振镜(9)，大幅度扩大视场范围，高速振镜(9)定位于单色变倍率镜头(7)后面，用以输出正弦结构光投影拍摄。

8.根据权利要求7所述装置，其特征在于所述光输出系统的和视觉采集识别系统的Z字形辐射防护窗口是在一个两端分别反向垂直伸出遮光端筒的遮光主筒的两拐角处，分别配置一面与所述遮光端筒轴线和遮光主筒轴线呈45度夹角的反射镜。

9.根据权利要求6-8任一所述装置，其特征在于所述远心镜头及高速CCD或CMOS(11)、激光测距系统(12)同高速振镜(9)构成拍摄基线b，通过激光测距系统(12)，获得目标的实时拍摄距离L₀结构数据参数和目标图像，并将数据传输至计算机(14)，进行模式识别处理并存储；内部环境控制系统(13)将设备内部的各个参数数据传输至计算机(14)，并受其控制，实现内部环境的稳定，保证各个元件的正常工作。

10.根据权利要求6-8任一所述装置，其特征在于具备如下探测方法：

a.首先调整激光器(1)、光束整形系统(2)、矩形光栅(3)、单色傅立叶变换透镜(4)、频谱选择器(5)、波片(6)、单色变倍率镜头(7)、高速振镜(9)置于精密丝杠(8-1)和精密导轨(8-2)上；远心镜头及高速CCD或CMOS(11)、激光测距系统(12)按照设计的基线距离b确定安装位置；内部环境控制系统(13)、计算机(14)安装在带光输出系统的Z字形辐射防护窗口(16-1)和视觉采集识别系统的Z字形辐射防护窗口(16-2)的保护外壳(15)内，达到普通及特殊环境使用要求；

b.激光器(1)选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量，及单色傅立叶变换透镜(4)、波片(6)、单色变倍率镜头(7)的单色匹配设计；当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜(4)、波片(6)、单色变倍率镜头(7)；

c.光束整形系统(2)采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅(3)的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器(1)的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺；

d.矩形光栅(3)要求占空比不等于1∶1，便利使用一级频谱、二级频谱及三级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率；目标简单的情况下，矩形光栅更换为正弦光栅，同时，去掉频谱选择器(5)；

e.单色傅立叶变换透镜(4)和单色变倍率镜头(7)均需配合激光器(1)的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求；

f.频谱选择器(5)是电、磁或光寻址空间光调制器(SLM)，数字式微反射镜器件(DMD)，或机械式小孔；以方便选择一级频谱、二级频谱及三级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；

g.波片(6)配合激光器(1)的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择一级频谱、二级频谱及三级频谱，和选择1/4波片或1/2波片，将零级频谱耦合进一级频谱、二级频谱及三级频谱，成倍提高局部大曲率位置的条纹密度及正弦结构光的对比度，有效利用零级频谱能量，利于获取远距离及大尺寸的清晰图像，提高模式识别率；

h.高速振镜(9)大幅度扩大视场范围，高速振镜(9)定位于单色变倍率镜头(7)后面，实现大尺寸、大面积投影正弦结构光输出，配合远心镜头及图像拼接技术，静态拍摄可以达到几十米的巨大范围，能够兼顾远近不同距离的低速物体模式识别，以及高速运动目标的捕捉及模式识别；

i.精密丝杠(8-1)和精密导轨(8-2)，调整及固定激光器(1)和光束整形系统(2)、矩形光栅(3)、单色傅立叶变换透镜(4)、频谱选择器(5)、波片(6)、单色变倍率镜头(7)及高速振镜(9)；

j.远心镜头及高速CCD或CMOS(11)、激光测距系统(12)并列设置，同高速振镜(9)构成拍摄基线b，通过激光测距系统(12)，获得目标的实时拍摄距离L₀结构数据参数和目标图像，实现在不同距离位置波像差的实时补偿，有效提高拍摄对象的清晰度，提高识别精度；并将数据传输至计算机(14)，进行模式识别处理并存储；

k.内部环境控制系统(13)获得设备内部的各个参数数据，传输至计算机(14)，并受其控制，实现内部环境的稳定，保证各个元件的正常工作；

I.保护外壳(15)带有正弦结构光扫描输出保护窗口，及目标拍摄和测距接收输入保护窗口；固定所有元件，设计具有防尘、防水保护功能，保证内部元件稳定工作及维持内部环境稳定作用的特殊环境，需要针对性设计；

m.所述保护外壳(15)在光输出系统前面和视觉采集识别系统前面分别配置有光输出系统的Z字形辐射防护窗口(16-1)和视觉采集识别系统的Z字形辐射防护窗口(16-2)，Z字形辐射防护窗口(16-1)和视觉采集识别系统的Z字形辐射防护窗口(16-2)分别是光输出系统的输出、视觉采集识别系统的输入保护窗口，实现正弦结构光的投影输出，识别目标对象图像的输入，以及激光测距系统(12)的保护窗口；

n.计算机(14)接收远心镜头及高速CCD或CMOS(11)、激光测距系统(12)、内部环境控制系统(13)获得图像、测距数据和内部环境数据，并进行相应的图像、图形计算，并实现环境的控制，以及待识别目标物的模式识别和数据输出。