CN108375346A - 一种基于微振镜分光式投影装置的多线激光三维扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微振镜分光式投影装置的多线激光三维扫描方法，首先，点激光照射在微振镜上，微振镜将点激光反射到分光镜上，分光镜可以将透过和反射一部分激光，通过多个分光镜的组合，就可以将一个点激光转换成多个点激光，微振镜的快轴可以将点激光变成线激光，通过多个分光镜便可生成多线激光，微振镜的慢轴控制线激光的移动。本发明系统的体积小、光强更强、线激光特性更好；并且具有精度高、可悬停、可快速移动的特点。降低三维扫描系统的复杂度和成本，并且可提升测量精度。同时，多线激光技术提升了线激光全场扫描的速度，在三维重建领域具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于光学检测领域，涉及一种基于微振镜分光式投影装置的多线激光三维扫描方法，特别是一种大景深、快速移动的多线激光的生成方法，并且该多线激光三维扫描系统可以实现物体的非接触、高速度和高精度测量。
背景技术
光学三维测量由于具有非接触、高精高和速度快的优势，已在工业制造、动画特技制作、游戏娱乐和医学等行业崭露头角，显示了巨大的技术先进性和强大的生命力，其应用可谓方兴未艾,并且制造商也在逐渐开发出性能更好的产品，己初步形成了颇具规模的产业。
光学三维测量又可分为主动式和被动式两种。被动式测量方法以立体视觉为代表。虽然立体视觉技术系统结构简单，成本低，但存在着“匹配难”的瓶颈，而且运算量巨大，鲁棒性差的缺点。主动三维测量技术包括飞行时间法、结构光投影法、干涉法等。其中，由于结构光投影法系统简便，成本比较低，而且精度较高，因此应用最为广泛。
结构光投影法，通常向被测物体表面投影特定的编码光，利用相机拍摄编码光在物体表面的调制信号，在进一步解调得到和深度信息有关的调制信号，最后经过标定得到物体表面的三维形貌。投射的编码光通常包括：线激光图、正余弦光栅图，格雷码，颜色编码，随机形状编码等。
其中线激光投影测量方法在工业检测领域应用最为广泛。线结构光三维扫描方法，是以一条或多条激光光线(光刀)图像来重现物体三维形貌，即从线激光(光刀)图像中提取线激光重心位置，然后利用三角测量原理对线激光重心逐点进行求解，来获得物体形面三维数据。该技术以其非接触性、灵敏度高、实时性好、抗干扰能力强、对金属物体表面同样可以进行测量等优点，被广泛的应用于工业检测和金属测量领域中。传统的线激光生成方式主要有两种：第一种，通过旋转马达将点激光转换成线激光；第二种，通过光学透镜将点激光转换成线激光；第一种方法，通过机械装置产生线激光，精度低；第二种方法，点激光通过光学透镜，光功率有损失，产生的线激光亮度低，严重影响三维测量精度；
并且上面两种线激光投影方法，需要在机械运动机构的配合下才能实现线结构光扫描，导致测量系统体积大、成本高。
传统的线激光主要以单线激光的工作方式为主，将单线激光应用在三维重建领域具有工作效率低下，影响三维重建的速度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种微振镜分光式多线激光的生成方法，能够在被测物体的表面形成具有大景深、快速移动的多线激光，相对于传统的线激光，结构体积小、光强更强、线激光的性能更好，同时传统的线激光主要以单线激光为主，本发明的多线激光技术具有较高的工作效率。
本发明的目的在于提供一种大景深、快速移动、多线激光的生成方法。该方法以点激光作为光源，通过二维微振镜反射到被测物体表面，二维微振镜在快慢两个方向的驱动电流激励下进行二维扫描，快轴用于产生线激光，慢轴用于控制线激光的移动，进而实现线激光的全场扫描。
首先，点激光照射在微振镜上，微振镜将点激光反射到分光镜上，分光镜可以将透过和反射一部分激光，通过多个分光镜的组合，就可以将一个点激光转换成多个点激光，微振镜的快轴可以将点激光变成线激光，通过多个分光镜便可生成多线激光，微振镜的慢轴控制线激光的移动。
通过在被测物体的表面形成具有大景深、快速移动的多线激光，实现物体的非接触、高速度和高精度测量。微振镜分光式投影装置由激光器、透镜、微振镜、组合式分光镜、激光器控制芯片和微振镜控制芯片构成。激光器控制芯片控制激光器发出激光光束，通过透镜将光束整合或聚焦，激光光束入射到微振镜上，激光光束经过微振镜的反射，通过组合式分光镜将单个激光光束转变为多个激光光束，微振镜在微振镜控制芯片的控制下，沿快轴方向左右快速摆动，将激光光束形成线激光，经过组合式分光镜生成多条线激光，激光器控制芯片与微振镜控制芯片的协同控制，是通过时序算法来实现的，微振镜的慢轴控制线激光步进和悬停的时间。系统工作时，激光投影装置可以向被测物投影多条线激光，相机同时进行数据采集。将采集到的多线激光图像采用固定分区法，确保分割后的每个区域只含有单条线激光。然后通过梯度重心法计算线激光重心矩阵，根据线激光重心矩阵和相机参数，可以重建出被测物体的三维点云模型。该扫描系统能够在被测物体的表面形成具有大景深、快速移动的多线激光，提高扫描速度且不需要任何机械移动装置。
实现本发明的技术方案为：
第一步，设计系统工作参数。根据线激光的工作距离确定最大工作距离L2，最小工作距离L1；景深范围内ΔL的最大光斑ωmax；线激光步进式移动的行数。
第二步，生成驱动信号。涉及的驱动信号有三种。1)微振镜快轴驱动信号，这是一种正弦(或余弦)波形的电流信号，其频率fx等于微振镜快轴方向谐振频率f，其峰值Ix峰由微振镜的具体参数确定。2)微振镜慢轴驱动信号，这是一种梯形电流信号。其频率为fy＝fx/R，其峰值Iy峰由微振镜的参数确定。3)激光器的驱动信号，为可调节的恒定的电流。其最高频率fLD由其激光光束的特性决定，其峰值和偏置电流均由激光器的特性决定。上述三种驱动信号均为模拟信号。
第三步，生成有悬停效果的、可移动的多线激光。利用第二步中产生的微振镜快轴驱动信号，驱动微振镜进行一维扫描，产生单个线激光，线激光的长度与微振镜的偏转角度有关，单线激光在组合式分光镜的作用下生成多线激光。利用第二步中产生的微振镜慢轴驱动信号，驱动微振镜在慢轴方向步进式偏转，实现线激光的步进式移动。激光器通过可调节的恒定电流产生不同光强的激光光束，激光光束以一定的入射角照射到振镜表面，再经过振镜反射到物体表面，形成具有悬停效果的、可移动的多线激光。
第四步，相机采集多线激光图像，提取线激光重心，进行三维重建。将生成的多线激光投影到被测物上，左、右相机同时进行数据采集。然后分别对左、右相机的线激光进行求取线激光重心，根据左右相机的线激光重心数据可以求取视差图。通过双目立体视觉原理，利用视差图进行三维重建，可以获得被测物体的三维点云模型。
有益效果
本发明基于微振镜和分光镜产生的多线激光，相比于传统的线激光，系统的体积小、光强更强、线激光特性更好；并且具有精度高、可悬停、可快速移动的特点。不需要机械移动装置便可实现线激光扫描，降低三维扫描系统的复杂度和成本，并且可提升测量精度。同时，多线激光技术提升了线激光全场扫描的速度，在三维重建领域具有重要意义。
附图说明
图1是光学系统传播模型图；
图2是电流信号与时间的关系图；
图3是微振镜慢轴转角与输入电流的关系图；
图4是线激光步进同步信号的时序关系图；
图5是本发明的系统原理图。
具体实施方式
下面具体结合附图对本发明做详细描述。
一种基于微振镜分光式多线激光三维扫描方法，具体包括以下步骤：
第一步，设计系统参数。
1)确定线激光的工作距离的范围
如图1，激光器发出的高斯激光光束经过非球面透镜后，入射到MEMS扫描振镜3上，再反射到被测物体表面。高斯光束的聚焦面在L0处，设计景深为ΔL，其中ΔL＝L2-L1。根据ABCD矩阵计算可得光束在穿过透镜后的光斑大小，最大工作距离L2处光斑大小ω2，最小工作距离L1处光斑大小为ω1。线结构光的长度D0、D1、D2分别对应工作距离L0、L1、L2。
2)确定线激光工作视场
线激光工作视场由激光光斑特性和微振镜的转角确定。振镜快慢轴的转角为θx和θy。线激光的长度D，由计算公式(1.1)求出，线激光步进的行数R，由计算公式(1.2)求出。
公式(1.1)、(1.2)中的L为线激光的工作距离，L在区间[L1,L2]内，ω为在工作距离为L处时，激光的光斑大小，ω在区间[ω1,ω2]内。
第二步，生成驱动信号。
1)微振镜快轴驱动信号
该驱动信号是一种电流信号，信号的电流和电压特性由所使用的微振镜的电学特性决定。其频率fx等于MEMS扫描振镜快轴方向谐振频率f。
2)微扫描振镜慢轴驱动信号
该驱动信号是一种电流信号，一般为梯形信号，其电流和电压特性由所使用的微振镜的电学特性决定。图2为电流信号与时间的关系，悬停时间T可变动；图3为微振镜慢轴转角与输入电流的关系。
3)激光器的驱动信号
该驱动信号是可调节的方波信号，可调节的范围在激光器的正常驱动电流内。
4)信号的时序关系
光刀实现步进时，微振镜快轴、慢轴驱动信号，以及激光器驱动信号，光刀步进同步信号的时序关系如图4所示。
第三步，生成可悬停、快速移动的多线激光。
如图5，激光器控制芯片控制激光器发出激光光束，通过透镜将光束整合或聚焦，激光光束入射到微振镜上，激光光束经过微振镜的反射，通过组合式分光镜将单个点光源转变为多个点光源，微振镜在微振镜控制芯片的控制下，沿快轴方向左右快速摆动，形成线激光，经过组合式分光镜生成多线激光，激光器控制芯片与微振镜控制芯片的协同控制，是通过时序算法来实现的，微振镜的慢轴控制线激光步进和悬停的时间；此时，慢轴的悬停时间控制着相机采集到的线激光的光强和线激光移动的速度。
第四步，相机同步数据采集，进行三维重建。
将微振镜投影装置生成的多线激光投影到被测物体上，投影多线激光进行移动时，相机同时进行数据采集。将采集到的多线激光数据进行图像分割，本次分割方法选用固定区域分割算法，将每张多线激光数据分割成多个单线激光图像数据，保证分割后的图像只含有单个线激光；然后分别求取每个分割后的线激光重心，求取线激光重心采用梯度重心算法，根据如下公式(1.3)可以求得线激光x,y方向的梯度Gx和Gy，其中f(x,y)表示图像灰度值；根据公式(1.4)、(1.5)计算线激光法线与水平方向的夹角θ；
其中，
求取线激光法线方向后，根据线激光法线方向选一定宽度的线激光数据计算，得到左、右相机线激光重心矩阵CenterL和CenterR；根据公式Dis＝CenterL-CenterR,；得视差图矩阵Dis；通过双目立体视觉原理，利用视差图进行三维重建，；获得被测物体的三维点云模型。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种基于微振镜分光式投影装置的多线激光三维扫描方法，其特征在于：所述微振镜分光式投影装置由激光器、透镜、微振镜、组合式分光镜、激光器控制芯片和微振镜控制芯片构成；激光器控制芯片控制激光器发出激光光束，通过透镜将激光光束整合或聚焦，激光光束入射到微振镜上，激光光束经过微振镜的反射，通过组合式分光镜将单个激光光束转变为多个激光光束，微振镜在微振镜控制芯片的控制下，沿快轴方向左右快速摆动，将激光光束形成线激光，线激光经过组合式分光镜生成多线激光，通过时序算法实现激光器控制芯片与微振镜控制芯片的协同控制，微振镜的慢轴控制线激光步进和悬停的时间；系统工作时，微振镜分光式投影装置向被测物投影多条线激光，相机同时进行数据采集；采用固定分区法将采集到的多线激光图像进行分割，确保分割后的每个区域只含有单条线激光；然后通过梯度重心法计算线激光重心矩阵，根据线激光重心矩阵和相机参数，重建出相机的三维点云模型，实现多线激光三维扫描。
2.如权利要求1所述的多线激光三维扫描方法，其特征在于，按照如下步骤：
步骤一，设计系统工作参数，根据线激光的工作距离确定最大工作距离L2，最小工作距离L1；景深范围内ΔL的最大光斑ωmax；线激光步进式移动的行数；
步骤二，生成驱动信号，涉及的驱动信号有三种；1)微振镜快轴驱动信号，这是一种正弦或余弦波形的电流信号，其频率fx等于微振镜快轴方向谐振频率f，其峰值Ix峰由微振镜的具体参数确定；2)微振镜慢轴驱动信号，这是一种梯形电流信号；其频率为fy＝fx/R，其峰值Iy峰由微振镜的参数确定；3)激光器的驱动信号，为可调节的恒定的电流；其最高频率fLD由其激光光束的特性决定，其峰值和偏置电流均由激光器的特性决定。上述三种驱动信号均为模拟信号；
步骤三，生成有悬停效果的、可移动的多线激光；
步骤四，相机采集多线激光图像，提取线激光重心，进行三维重建。
3.如权利要求2所述的多线激光三维扫描方法，其特征在于，所述步骤一是：
确定线激光的工作距离的范围，激光器发出的高斯激光光束经过非球面透镜后，入射到MEMS扫描振镜上，再反射到被测物体表面；高斯光束的聚焦面在L0处，设计景深为ΔL，其中ΔL＝L2-L1；根据ABCD矩阵计算可得激光光束在穿过透镜后的光斑大小，最大工作距离L2处光斑大小ω2，最小工作距离L1处光斑大小为ω1；线激光的长度D0、D1、D2分别对应工作距离L0、L1、L2；
2)确定线激光工作视场，线激光工作视场由激光光斑特性和微振镜的转角确定；振镜快慢轴的转角为θx和θy；线激光的长度D，由计算公式(1.1)求出，线激光步进的行数R，由计算公式(1.2)求出；
公式(1.1)、(1.2)中的L为线激光的工作距离，L在区间[L1,L2]内，ω为在工作距离为L处时，线激光的光斑大小，ω在区间[ω1,ω2]内。
4.如权利要求2所述的多线激光三维扫描方法，其特征在于，所述步骤三是：激光器控制芯片控制激光器发出激光光束，通过透镜将光束整合或聚焦，激光光束入射到微振镜上，激光光束经过微振镜的反射，通过组合式分光镜将单个激光光束转变为多个激光光束，微振镜在微振镜控制芯片的控制下，沿快轴方向左右快速摆动，将激光光束形成线激光，经过组合式分光镜生成多线激光，激光器控制芯片与微振镜控制芯片的协同控制，是通过时序算法来实现的，微振镜的慢轴控制线激光步进和悬停的时间；此时，慢轴的悬停时间控制着相机采集到的线激光的光强和线激光移动的速度。
5.如权利要求2所述的多线激光三维扫描方法，其特征在于，所述步骤四是：将微振镜投影装置生成的多线激光投影到被测物体上，投影多线激光进行移动时，相机同时进行数据采集；将采集到的多线激光图像进行图像分割，分割方法选用固定区域分割算法，将每张多线激光图像分割成多个单线激光图像，保证分割后的数据只含有单条线激光；然后分别求取每个分割后的线激光重心，求取线激光重心采用梯度重心算法，根据如下公式(1.3)可以求得线激光x,y方向的梯度Gx和Gy，其中f(x,y)表示图像灰度值；根据公式(1.4)、(1.5)计算线激光法线与水平方向的夹角θ；
其中，
求取线激光法线方向后，根据线激光法线方向选一定宽度的线激光数据计算，得到左、右相机线激光重心矩阵CenterL和CenterR；根据公式Dis＝CenterL-CenterR,；得视差图矩阵Dis；通过双目立体视觉原理，利用视差图进行三维重建，；获得被测物体的三维点云模型。
6.如权利要求2所述的多线激光三维扫描方法，其特征在于，所述激光器个数为一个或多个，激光器的波长相同或不同。
7.如权利要求2所述的多线激光三维扫描方法，其特征在于，所述分光镜包括具有反射和透过功能的中性光学镜片，和具有对不同波段的光波通过或滤除功能的光学镜片。
8.如权利要求2所述的多线激光三维扫描方法，其特征在于，所述分光镜的数量包含是2个及2个以上，分光镜的之间的距离根据实际需求而定。
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