CN108050958B - 一种基于视场匹配的单目深度相机及其对物体形貌的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于视场匹配的单目深度相机及其对物体形貌的检测方法，单目深度相机，包括：红外及可见复合光源，对结构光进行编码并投影到待测物体上的结构光投影光电引擎，采集待测物体表面的纹理信息的3D、2D实时融合光学相机，接收3D、2D实时融合光学相机信息的近红外图像传感器、可见光图像传感器，接收近红外图像传感器、可见光图像传感器的信号并得到得到待测物体的三维轮廓以及纹理信息的结构光三维成像总控。本发明消除了一般深度相机中可见光采集模块与红外采集模块的视差，省略了标定步骤，提高了测量精度，将一般深度相机信号接收需要的光学镜头组从两个减少为一个，降低了生产成本，提高了系统稳定度。
Description
技术领域
本发明涉及涉及三维测量和工业检测领域，特别是一种基于视场匹配的单目深度相机及其对物体形貌的检测方法。
背景技术
目前主流的深度相机方案(如结构光方案以及飞行时间法方案)中，可见光图像与红外光图像一般会采用两个镜头分别单独获取，这会直接导致深度相机采集到的可见光图像与红外光图像带有视差，从而影响三维重建的准确度。市场需要一种能够省略标定步骤，提高测量精度，将一般深度相机信号接收需要的光学镜头组从两个减少为一个的单目深度相机，本发明解决这样的问题。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于本发明提供一种基于视场匹配的单目深度相机及其对物体形貌的检测方法，本发明消除了一般深度相机中可见光采集模块与红外采集模块的视差，省略了标定步骤，提高了测量精度，将一般深度相机信号接收需要的光学镜头组从两个减少为一个，降低了生产成本，提高了系统稳定度。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种基于视场匹配的单目深度相机，包括：红外及可见复合光源，对结构光进行编码并投影到待测物体上的结构光投影光电引擎，采集待测物体表面的纹理信息的3D、2D实时融合光学相机，接收3D、2D实时融合光学相机信息的近红外图像传感器、可见光图像传感器，接收近红外图像传感器、可见光图像传感器的信号并得到得到待测物体的三维轮廓以及纹理信息的结构光三维成像总控。
前述的一种基于视场匹配的单目深度相机，结构光投影光电引擎组成有：调制红外光成为带有空间信息的红外结构光的结构光投影芯片，将红外结构光投影到待测物体上的基线压缩型投影光学系统。
前述的一种基于视场匹配的单目深度相机，基线压缩型投影光学系统组成有：第一组镜头，第二组镜头，设于第一组镜头和第二组镜头之间并反射可见光到待测物体上的半透半反镜，接收半透半反镜反射的红外结构光的编码芯片，接收编码后的红外结构光和经半透半反镜反射的可见光并投影到待测物体的第三组镜头。
前述的一种基于视场匹配的单目深度相机，第一组镜头为火石凹透镜和钡冕石凸透镜贴合而成的胶合双镜组。
前述的一种基于视场匹配的单目深度相机，第二组镜头为火石单凹透镜。
前述的一种基于视场匹配的单目深度相机，第三组镜头为重钡冕石单凸透镜。
前述的一种基于视场匹配的单目深度相机，3D、2D实时融合光学相机组成有：成像光学镜组，与成像光学镜组的光轴呈45°放置的分光镜，接收分光镜分出的可见光的可见光CCD电荷耦合器件，接收分光镜分出的红外光的红外光CCD电荷耦合器件。
前述的一种基于视场匹配的单目深度相机，结构光三维成像总控组成有：发出指令的嵌入式处理器，接收指令并控制结构光投影芯片的结构光投影控制芯片。
一种基于视场匹配的单目深度相机对物体形貌的检测方法，包括如下步骤：
步骤一，结构光三维成像总控发出信号，命令结构光投影光电引擎投影出红外及可见复合结构光；
步骤二，结构光投影光电引擎接到信号后，控制红外&可见复合光源发出红外及可见复合光到引擎内几何光学系统；
步骤三，红外光经结构光投影芯片控制编码，转换成为带有空间编码信息的结构光；
步骤四，红外结构光和可见光源经基线压缩型投影光学系统投影到待测物体上；
步骤五，红外结构光经待测物体反射进入3D、2D实时融合光学相机，将带有待测物体形貌信息的光投影在近红外图像传感器上；可见光经3D、2D实时融合光学相机投影到可见光图像传感器上；传感器将待测物体的纹理信息传输给图像处理平台。
步骤六，图像处理平台根据红外结构光信息计算得到待测物体三维形貌；
红外光经编码芯片编码为正弦结构光，利用结构光相位求得待测物体三维形貌。公式如下：
式中，l为相机距离参考平面高度，p为条纹在参考平面上的空间频率，Δφ为相机获取的相位差，d为投影镜头出瞳与相机入瞳之间的距离；
Δφ计算方式为用待测物体得到的相位减去参考平面相位，其中某一点的相位值利用相移法计算，计算方式如下：
式中N为总相移步数，In为第n步(x,y)点的亮度。
本发明的有益之处在于：本发明提供一种基于视场匹配的单目深度相机及其对物体形貌的检测方法，本发明通过将红外及可见复合光源的红外光转换为结构光后照射到待测物体上，由3D、2D实时融合光学相机实时采集待测物体实时三维轮廓、表面纹理信息。利用视场匹配的原理，本发明消除了一般深度相机中可见光采集模块与红外采集模块的视差，省略了标定步骤，提高了测量精度，将一般深度相机信号接收需要的光学镜头组从两个减少为一个，降低了生产成本，提高了系统稳定度。
附图说明
图1是本发明的一种实施例的结构示意图；
图中附图标记的含义：
1红外及可见复合光源，2结构光投影光电引擎，3 3D、2D实时融合光学相机，4结构光三维成像总控，5待测物体，6结构光投影芯片，7基线压缩型投影光学系统。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
一种基于视场匹配的单目深度相机，包括：红外及可见复合光源1，对结构光进行编码并投影到待测物体5上的结构光投影光电引擎2，采集待测物体5表面的纹理信息的3D、2D实时融合光学相机3，接收3D、2D实时融合光学相机3信息的近红外图像传感器、可见光图像传感器，接收近红外图像传感器、可见光图像传感器的信号并得到得到待测物体5的三维轮廓以及纹理信息的结构光三维成像总控4。
结构光投影光电引擎2组成有：调制红外光成为带有空间信息的红外结构光的结构光投影芯片6，将红外结构光投影到待测物体5上的基线压缩型投影光学系统7。红外及可见光复合光源中整合了红外光与可见光，可同时发射这两种光束。这两种光束照射到结构光投影芯片6上后，其中的红外光被调制使其带有包含空间信息的特殊花纹，红外光经过调制后，与可见光一起经过投影光学镜组投射到待测物体5上。
基线压缩型投影光学系统7组成有：由火石凹透镜和钡冕石凸透镜贴合而成的胶合双镜组，火石单凹透镜，设于胶合双镜组和火石单凹透镜之间并反射可见光到待测物体5上的半透半反镜，接收半透半反镜反射的红外结构光的编码芯片，接收编码后的红外结构光和经半透半反镜反射的可见光并投影到待测物体5的重钡冕石单凸透镜。光学镜组使用改进后的倒置天塞镜头。由一火石凹透镜和一钡冕石凸透镜贴合在一起而成的胶合双镜组作为第一组镜头，火石单凹透镜作为第二组镜头，重钡冕石单凸透镜作为第三组镜头。红外结构光反射到编码芯片，进行编码后经第三组镜头投影到待测物体5；可见光经半透半反镜反射直接进入第三组镜头投影到待测物体5上。
3D、2D实时融合光学相机3组成有：成像光学镜组，与成像光学镜组的光轴呈45°放置的分光镜，接收分光镜分出的可见光的可见光CCD电荷耦合器件，接收分光镜分出的红外光的红外光CCD电荷耦合器件。待测物体5上的可见光红外光混合信号通后，照射到与成像光学镜组光轴呈45°放置的红外&可见光分光镜上，分为可见光与红外光两道光束，分别照射到可见光CCD以及红外光CCD上。
结构光三维成像总控4组成有：发出指令的嵌入式处理器，接收指令并控制结构光投影芯片6的结构光投影控制芯片。嵌入式处理器通过结构光投影控制芯片实时控制结构光投影芯片6，实时产生复杂的结构光投影。优点：嵌入式处理器只需要简单的指令，来控制结构光投影控制芯片，就可以通过结构光投影芯片6产生复杂的结构光投影。
一种基于视场匹配的单目深度相机对物体形貌的检测方法，包括如下步骤：
步骤一，结构光三维成像总控4发出信号，命令结构光投影光电引擎2投影出红外及可见复合结构光；
步骤二，结构光投影光电引擎2接到信号后，控制红外&可见复合光源发出红外及可见复合光到引擎内几何光学系统；
步骤三，红外光经结构光投影芯片6控制编码，转换成为带有空间编码信息的结构光；
步骤四，红外结构光和可见光源经基线压缩型投影光学系统7投影到待测物体5上；
步骤五，红外结构光经待测物体5反射进入3D、2D实时融合光学相机3，将带有待测物体5形貌信息的光投影在近红外图像传感器上；可见光经3D、2D实时融合光学相机3投影到可见光图像传感器上；传感器将待测物体5的纹理信息传输给图像处理平台。
步骤六，图像处理平台根据红外结构光信息计算得到待测物体5三维形貌；
红外光经编码芯片编码为正弦结构光，利用结构光相位求得待测物体5三维形貌；公式如下：
式中，l为相机距离参考平面高度，p为条纹在参考平面上的空间频率，Δφ为相机获取的相位差，d为投影镜头出瞳与相机入瞳之间的距离；
Δφ计算方式为用待测物体5得到的相位减去参考平面相位，其中某一点的相位值利用相移法计算，计算方式如下：
式中N为总相移步数，In为第n步(x,y)点的亮度。
本系统中红外及可见复合光源1可发出红外波段和可见光波段两种波段的光，两种光分别的工作过程如下：
红外光经复合光源发出后，在投影光电引擎内部按照结构光投影芯片6所设计的结构光模式进行编码，成为带有空间信息的红外结构光；红外结构光经过基线压缩型投影光学系统7投影到待测物体5上；待测物体5的三维结构会对红外结构光进行影响，改变红外结构光的原有信息；经过待测物体5影响的红外结构光被实时融合光学相机采集，经过图像处理平台对得到的光学信号进行解码，得到待测物体5的三维结构信息。
可见光经复合光源发出后，经过基线压缩型投影光学系统7投影到待测物体5上，经待测物体5反射，被基于视场匹配的3D&2D实时融合光学相机采集，得到待测物体5表面的纹理信息。
本发明提供一种基于视场匹配的单目深度相机及其对物体形貌的检测方法，本发明通过将红外及可见复合光源1的红外光转换为结构光后照射到待测物体5上，由3D、2D实时融合光学相机3实时采集待测物体5实时三维轮廓、表面纹理信息。利用视场匹配的原理，本发明消除了一般深度相机中可见光采集模块与红外采集模块的视差，省略了标定步骤，提高了测量精度，将一般深度相机信号接收需要的光学镜头组从两个减少为一个，降低了生产成本，提高了系统稳定度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于视场匹配的单目深度相机对物体形貌的检测方法，其特征在于，单目深度相机包括：红外及可见复合光源，对结构光进行编码并投影到待测物体上的结构光投影光电引擎，采集待测物体表面的纹理信息的3D、2D实时融合光学相机，接收上述3D、2D实时融合光学相机信息的近红外图像传感器、可见光图像传感器，接收近红外图像传感器、可见光图像传感器的信号并得到待测物体的三维轮廓以及纹理信息的结构光三维成像总控；
上述结构光投影光电引擎组成有：调制红外光成为带有空间信息的红外结构光的结构光投影芯片，将红外结构光投影到待测物体上的基线压缩型投影光学系统；
上述基线压缩型投影光学系统组成有：第一组镜头，第二组镜头，设于上述第一组镜头和第二组镜头之间并反射可见光到待测物体上的半透半反镜，接收上述半透半反镜反射的红外结构光的编码芯片，接收编码后的红外结构光和经半透半反镜反射的可见光并投影到待测物体的第三组镜头；
所述检测方法包括如下步骤：
步骤一，结构光三维成像总控发出信号，命令结构光投影光电引擎投影出红外及可见复合结构光；
步骤二，结构光投影光电引擎接到信号后，控制红外&可见复合光源发出红外及可见复合光到引擎内几何光学系统；
步骤三，红外光经结构光投影芯片控制编码，转换成为带有空间编码信息的结构光；
步骤四，红外结构光和可见光源经基线压缩型投影光学系统投影到待测物体上；
步骤五，红外结构光经待测物体反射进入3D、2D实时融合光学相机，将带有待测物体形貌信息的光投影在近红外图像传感器上；可见光经3D、2D实时融合光学相机投影到可见光图像传感器上；传感器将待测物体的纹理信息传输给图像处理平台；
步骤六，图像处理平台根据红外结构光信息计算得到待测物体三维形貌；
红外光经编码芯片编码为正弦结构光，利用结构光相位求得待测物体三维形貌，公式如下：
式中，l为相机距离参考平面高度，p为条纹在参考平面上的空间频率，Δφ为相机获取的相位差，d为投影镜头出瞳与相机入瞳之间的距离；
Δφ计算方式为用待测物体得到的相位减去参考平面相位，其中某一点的相位值利用相移法计算，计算方式如下：
式中N为总相移步数，In为第n步(x,y)点的亮度。
2.根据权利要求1所述的一种基于视场匹配的单目深度相机对物体形貌的检测方法，其特征在于，上述第一组镜头为火石凹透镜和钡冕石凸透镜贴合而成的胶合双镜组。
3.根据权利要求1所述的一种基于视场匹配的单目深度相机对物体形貌的检测方法，其特征在于，上述第二组镜头为火石单凹透镜。
4.根据权利要求1所述的一种基于视场匹配的单目深度相机对物体形貌的检测方法，其特征在于，上述第三组镜头为重钡冕石单凸透镜。
5.根据权利要求1所述的一种基于视场匹配的单目深度相机对物体形貌的检测方法，其特征在于，3D、2D实时融合光学相机组成有：成像光学镜组，与上述成像光学镜组的光轴呈45°放置的分光镜，接收上述分光镜分出的可见光的可见光CCD电荷耦合器件，接收上述分光镜分出的红外光的红外光CCD电荷耦合器件。
6.根据权利要求1所述的一种基于视场匹配的单目深度相机对物体形貌的检测方法，其特征在于，上述结构光三维成像总控组成有：发出指令的嵌入式处理器，接收指令并控制结构光投影芯片的结构光投影控制芯片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: Room 101, 1st Floor, Building 1, No. 15 Jiuzhou Road, Shangcheng District, Hangzhou City, Zhejiang Province, 310019 Applicant after: Zhejiang Jiangao Photoelectric Technology Co.,Ltd. Address before: Room 3, 232 Yuanfeng Road, Yushan Town, Kunshan, Suzhou City, Jiangsu Province 215300 Applicant before: SUZHOU JIANG'AO OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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