CN108680142A - 一种基于高速三角波条纹投射原理的三维视觉测量系统 - Google Patents

一种基于高速三角波条纹投射原理的三维视觉测量系统 Download PDF

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Abstract

一种基于高速三角波条纹投射原理的三维视觉测量系统，其主要包括DMD(Digital Micro‑mirror Device，数字微镜器件)投影仪、高速工业相机以及计算机。其中DMD投影仪由DMD微镜阵列、LED(Light Emitting Diode发光二级管)光源、触发电路以及主控电路组成。工作中DMD投影仪将黑白图案高速投影被测物表面，同时触发高速相机进行图像拍摄。计算机对拍摄到的图像进行数据处理与三维解算，得到被测物表面的形貌信息。本发明通过投影一种特殊的黑白图案，将多个图案叠加成为一幅三角波条纹，实现高速投射。与传统正弦光栅投影方法比较，速度提高12倍以上。同时，发明了使用相移法的三角波相位解算方法，将本发明提出的高速测量原理进行了具体实施，可实现高速三维测量。

Description

一种基于高速三角波条纹投射原理的三维视觉测量系统
技术领域
本发明涉及一种基于高速三角波条纹投射原理的三维视觉测量系统，主要使用高速投影、同步相机控制技术，实现对物体表面形貌快速测量，节省测量时间，减少环境干扰，特别适用于工业现场测量、动态物体测量。
背景技术
光学三维形貌测量技术已广泛应用于工业测量、模式识别以及逆向工程等领域，显示出了广泛的应用前景。现有的基于面结构光照相测量方法的测量手段尽管拥有结构简单、点云密集、测量精度高、系统噪声低等诸多优势，但随着工业生产自动化水平的提高，该技术已经不能满足高速三维形貌测量的需要。高速测量这一需求的主要优势体现在减少测量时间、提高测量效率、受现场环境干扰小等方面。特别是针对高速移动物体的动态测量中，对测量时间的要求更为严苛。
近几年，高速测量这一领域的发展尤为迅猛，国内外针对这一问题，适用的技术路线可大体分为以下几个方向：首先是研究新型高速测量原理，从结构光照相测量基本原理出发，探究高速投影、高速信息获取的手段：比较有代表性的技术是使用物理光栅实现高速投影、使用新型光机结构提高投影速度以及使用多目相机进行一次曝光提高数据采集速度的方法。其次是研究新型的高速数据解算方法，提高数据结果获取速度：比较流行的技术是使用GPU(Graphic Processing Unit，图形处理单元)为核心的高速数据处理单元，实现并行计算，加速数据结果输出。再次是研究高速测量器件，从投影装置与传感器的机电结构上提高系统运行速度：以DMD为代表的新型光电器件的研制与开发从原理上解决了这一问题，其具有高速投影，高填充率的优势。在诸多的方法中，以散斑投影法与二值条纹投影法为代表的二值投影方法是投影速度较高的一类方法。由物理光栅投影方法滥觞，二值条纹散焦方法是一项比较有代表性的方法，其实施方法是投影二值条纹，并将投影仪的光路系统设置在离焦工作模式下，这样二值图像就经由光学系统调制成为灰度变化的模拟条纹。这种方法也存在着散焦模型难以标定、工作景深较小等诸多不足。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有投影技术的不足，提供一种投影速度快、精度高、测量点云密集的高速三维测量系统。
本发明的技术解决方案是：一种基于高速三角波条纹投射原理的三维视觉测量系统，其特征在于：主要包括DMD高速投影仪、两台高速工业相机以及计算机。高速投影仪由主控电路、DMD投影阵列、LED光源、触发单元以及通信模块组成。工作中计算机将待投影的结构光信息通过USB接口传送到DMD高速投影仪的通信模块中，通信模块将数据经由主控电路编译成为DMD投影阵列的翻转信号，同时控制LED光源调整亮度。触发单元与投影仪同步，触发高速相机对被测物拍摄，并将得到的图像信息会传到计算机进行三维解算。
所述的高速投影原理的实现，是将投影仪设置在二值黑白条纹投影模式，计算机生成一种特殊的二值结构光条纹，该条纹形状为连续排列的三角形黑白图案。整个图案系列的投影过程中，每相邻的两幅三角形图案的形状不发生变化，但是图案的相位下移或者右移一个像素。投影仪投影出一个系列的图案时，控制触发单元触发相机延长曝光时间拍摄，从而得到整个系列二值图案叠加而成的一张灰度图像。该灰度图像是具有三角波形状规律的纵向或者横向条纹，可以用于数据解算。其投影速度相比于传统正弦光栅投影模式，投影速度提高12倍以上。
所述中获得的三角波形状条纹图像，为了实现三维复现，使用多步相移法对其进行解相。在已有的一个系列的二值图像的基础上，以纵向条纹为例，将每一幅图像横移四分之一个条纹周期，得到下一个系列的图像。连续横移三次之后，与原来的一个系列一共组成了四个系列的图像，依照描述2中的方法何以获取到四张纵向条纹不同相移的图像。并提出一种新的解相公式，计算图像各个点的相位。
所述中获得的相位计算数据，一幅图像中各个点相位值不唯一无法进行左右相机相位匹配，使用外差多频相展开原理。投影三种不同宽度的三角波条纹，即三组不同大小的三角形二值图案，每组四个系列。使用外差三频方式可以得到每个点的唯一相位值，进行三维计算。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明利用了DMD投影仪能够进行二值条纹图案快速投影的功能，同时驱动DMD、LED与高速工业相机协同工作，实现了二值条纹叠加而成的三角波形状条纹的高速投影。较之现有的诸多高速测量系统，本发明系统结构简单、电路原理简单、时序易于实现。同时设备体积小重量轻。
(2)本发明将现有的8位灰度投影方法替换为提出的二值灰度条纹投影方法。原有的8位灰度投影方法投影一帧需要256个微镜翻转时间。而一幅二值图案只需要一个微镜翻转时间。一幅三角波条纹是有20个二值图案组成的系列叠加而成，因此投影时间提高12倍以上。
(3)针对三角波函数解相问题，提出四步相移法的三角波相位计算方法，实现了对三角波条纹图像的解相运算。运算精度高，速度快，适于与整体测量系统的软件软端口集成。
总之，本发明的这种三维测量系统明将现有的8位灰度投影方法替换为提出的二值灰度条纹投影方法，投影时间提高12倍以上。提出的计算方法运算精度高，速度快，适于与整体测量系统的软件软端口集成。整体上，本发明实现了二值条纹叠加而成的三角波形状条纹的高速投影系统结构简单、电路原理简单、时序易于实现。同时设备体积小重量轻。
附图说明
图1为本发明的结构组成框图；
图2为本发明的测量流程图；
图3为本发明的单幅二值三角形图案；
图4为本发明的叠加得到的三角波条纹图；
图5为本发明的解相算法分块计算图；
图6为本发明的相位计算原理图；
图7为本发明的杯子表面三维测量结果
具体实施方式
如图1所示，本发明包括DMD高速投影仪(1)、两台高速工业相机(2)以及计算机(3)。高速投影仪(1)由主控电路(5)、DMD投影阵列(6)、LED光源(7)、触发单元(8)以及通信模块(9)组成。工作中计算机(3)将待投影的结构光信息通过USB(Universal Serial Bus通用串行总线架构)接口传送到DMD高速投影仪(1)的通信模块(9)中，通信模块将数据经由主控电路(5)编译成为DMD投影阵列(6)的翻转信号，同时控制LED光源(7)调整亮度。触发单元(8)与投影仪同步，触发高速相机(2)对被测物(4)拍摄，并将得到的图像信息会传到计算机(3)进行三维解算。
高速投影原理的实现，是将投影仪(1)设置在二值黑白条纹投影模式，计算机(3)生成一种特殊的二值结构光条纹，该条纹形状为连续排列的三角形黑白图案。整个图案系列的投影过程中，每相邻的两幅三角形图案的形状不发生变化，但是图案的位置下移或者平移一个像素。投影仪投影出一个系列的图案时，控制触发单元(8)触发相机延长曝光时间拍摄，从而得到整个系列二值图案叠加而成的一张灰度图像。该灰度图像是具有三角波形状规律的纵向或者横向条纹，可以用于数据解算。其投影速度相比于传统正弦光栅投影模式，投影速度提高12倍以上。为了实现三维复现，使用多步相移法对其进行解相。在已有的一个系列的二值图像的基础上，以纵向条纹为例，将每一幅图像横移四分之一个条纹周期，得到下一个系列的图像。连续横移三次之后，与原来的一个系列一共组成了四个系列的图像，依照描述2中的方法何以获取到四张纵向条纹不同相移的图像。并提出一种新的解相公式，计算图像各个点的相位。一幅图像中各个点相位值不唯一无法进行左右相机相位匹配，使用外差多频相展开原理。投影三种不同宽度的三角波条纹，即三组不同大小的三角形二值图案，每组四个系列。使用外差三频方式可以得到每个点的唯一相位值，进行三维计算。
整体测量流程图如图2所示：首先由计算机设定带投影的条纹宽度与相位，将一个系列的二值图像传送到投影仪的投影部分，投影仪开始投影的同时，触发信号控制高速相机开始曝光，待一个系列均投影完毕后，触发信号控制高速相机结束曝光。相机将得到的三角波图像回传到计算机，进而计算机设置下一个系列的参数，重新开始投射。待所有需要获取的图片均拍摄完毕之后，计算机根据三角波解相、相展开算法，对数据进行处理，进而进行三维复现。待投影的单幅三角形二值图案如图3所示，叠加得到的三角波条纹图像如图4所示。
三角波叠加形成的原理参见图5，图5中取一个基本块作为考量对象，其长宽分别为2a与b。设每张二值图的分布函数记为fblock(x,y)，x、y为DMD上坐标。则图5中的基本块得函数为：
x∈[0,2a)
y∈[0,b)
当多个三角形块叠加时，叠加后的图像函数Fblock(x,y)可以表示为：
为了表示清晰，可以令a＝2，b＝1，可以得到：
可见，Fblock(x,y)在横向上呈三角波形状的分布。
图6表示了三角波解相的方法结果，与原有的正弦波四步相移法的解相方法类似，首先我们使用四幅三角波相依图像，使用公式
计算其相位函数。使用三角波时相位分布服从于两个相差半个周期的三角波函数的比值，即：
其中T为一个以D为周期的三角波函数。容易解得
其反函数为
因此三角波四步相移法解相公式为
图6中(1)给出了解相数据源以及结果，(2)与(3)分别是三角波波形图与相位值波形图。
本发明可以作为一种通用的高速三维测量系统，提供了足够的硬件资源和先进的三维复现算法，应用者可以根据其特殊的应用领域通过修改计算方式来灵活方便地实现功能。

Claims (4)

1.一种基于高速三角波条纹投射原理的三维视觉测量系统，其特征在于：主要包括DMD高速投影仪(1)、两台高速工业相机(2)以及计算机(3)。高速投影仪(1)由主控电路(5)、DMD投影阵列(6)、LED光源(7)、触发单元(8)以及通信模块(9)组成。工作中计算机(3)将待投影的结构光信息通过USB(Universal Serial Bus通用串行总线架构)接口传送到DMD高速投影仪(1)的通信模块(9)中，通信模块将数据经由主控电路(5)编译成为DMD投影阵列(6)的翻转信号，同时控制LED光源(7)调整亮度。触发单元(8)与投影仪同步，触发高速相机(2)对被测物(4)拍摄，并将得到的图像信息会传到计算机(3)进行三维解算。
2.根据权利要求1中描述的一种基于高速三角波条纹投射原理的三维视觉测量系统，其特征在于：所述的高速投影原理的实现，是将投影仪(1)设置在二值黑白条纹投影模式，计算机(3)生成一种特殊的二值结构光条纹，该条纹形状为连续排列的三角形黑白图案。整个图案系列的投影过程中，每相邻的两幅三角形图案的形状不发生变化，但是图案相位下移或者右移一个像素。投影仪投影出一个系列的图案时，控制触发单元(8)触发相机延长曝光时间拍摄，从而得到整个系列二值图案叠加而成的一张灰度图像。该灰度图像是具有三角波形状规律的纵向或者横向条纹，可以用于数据解算。其投影速度相比于传统正弦光栅投影模式，投影速度提高12倍以上。
3.根据权利要求1、2中描述的一种基于高速三角波条纹投射原理的三维视觉测量系统，其特征在于：所述中获得的三角波形状条纹图像，为了实现三维复现，使用多步相移法对其进行解相。在已有的一个系列的二值图像的基础上，以纵向条纹为例，将每一幅图像横移四分之一个条纹周期，得到下一个系列的图像。连续横移三次之后，与原来的一个系列一共组成了四个系列的图像，依照描述2中的方法何以获取到四张纵向条纹不同相移的图像。为了计算图像各个点的相位，提出一种新的解相公式如下。
4.根据权利要求1、2、3中描述的一种基于高速三角波条纹投射原理的三维视觉测量系统，其特征在于：所述中获得的相位计算数据，一幅图像中各个点相位值不唯一无法进行左右相机相位匹配，使用外差多频相展开原理。投影三种不同宽度的三角波条纹，即三组不同大小的三角形二值图案，每组四个系列。使用外差方式可以得到每个点的唯一相位值，进行三维计算。
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