CN109855605B - 一种光栅条纹图像投影序列的快速系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光栅条纹图像投影序列的切换系统，包括上位机、三维扫描仪、FPGA；FPGA包括第一存储区域和第二存储区域，所述第二存储区域划分为多个子存储区C_i，i＝1，2，3…m，m为待测的不同车型的数目；第一存储区域用于提供程序运行所需内存；多个子存储区C_i用于存储不同款车型测量所需的光栅条纹图像投影序列，光栅条纹图像投影序列中的每张光栅条纹图像具有对应的图像编号；通过FPGA逻辑控制直接从动态存储器取光栅图像用于投影，序列切换到投射过程延时不超过1ms；尤其适用于高分辨光栅图像的投影；整车身测量过程中，能够在投影测量的同时，将不同款车型的投影序列加载到子存储区，减少其他车型测量的前期准备时间。

Description

一种光栅条纹图像投影序列的快速系统及方法

技术领域

本发明涉及三维扫描测量领域，具体涉及一种光栅条纹图像投影序列的切换系统及方法。

背景技术

三维扫描测量方法是利用三维扫描仪将多张光栅图像投影序列依次投影到待测物表面，由摄像机获取变形的光栅图像，是一种非接触式光学测量系统，通过光栅投影的方式实现点云获取，搭载机器人、导轨、转台等运动机构实现大范围柔性测量，高密度点云测量，真实还原物体的丰富表面细节。

三维扫描仪的分辨率越高，光栅投影图像所蕴含信息越多，获取到的点云数据更丰富，投射高分辨率的投影图像，能带来图像信息的指数级增长，提高了整个三维扫描测量系统的测量精度，但随着投影图像分辨率的提高，直接影响到投影序列的投影速率和切换时间，通常的做法是先将光栅图像投影序列存储在扫描仪外部的内存器件Flash中，投影控制芯片从Flash中读取所需要的光栅图像投影序列到DRAM(Dynamic Random AccessMemory)中，这种方式中，投影图像为高分辨率时，需要增加主控芯片来满足要求，例如采用TI的DLPC900做主控芯片，当投影分辨率从1920x1080，对应的DMD芯片(DigitalMicromirror Device，即数据微镜装置)上超过200万个数字微镜，提升到2560x1600，对应的DMD芯片上有400万个的数字微镜，投影图像的数据量增加了一倍，相当于原先需要驱动一个200万级的数字微镜，而现在需要驱动两个200万级的数字微镜，此时，需要两片主控芯片DLPC900，成本增加；同时传统序列切换、存储方法中，由于DRAM空间不够大，当被测物改变，如汽车白车身测量过程，当被测车型改变，需要改变光栅图像投影序列时，三维扫描仪的投影主控芯片要重新从flash取图，再输入到DRAM中，整个过程耗时长，以TI控制芯片实现20幅1920x1080x8bit的投影图的切换为例，每次切换新的序列时，DLPC900需要重新从Flash中读取图片序列，并将原始的8bit投影图重新组合成1bit位图存储于芯片内部的缓存中，整个过程用时超过1s。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种光栅条纹图像投影序列的切换系统及方法；本发明适用于三维扫描仪投影高分辨率光栅条纹图像，无需增加DMD芯片，利用FPGA逻辑控制直接从动态存储器取光栅图像用于投影，数据读取速度快，投影序列的切换到投射过程延时小于1ms。

技术方案如下：

一种光栅条纹图像投影序列的切换系统，其特征在于：包括上位机、三维扫描仪、FPGA；所述上位机发出投影指令并指定光栅条纹图像的投影序列，所述FPGA包括第一存储区域和第二存储区域，所述第二存储区域划分为多个子存储区C_i，i＝1，2，3…m，m为待测的不同车型的数目；

所述第一存储区域用于提供程序运行所需内存；所述多个子存储区C_i用于分别存储不同款车型测量所需的光栅条纹图像投影序列，其中，每个子存储区存储单一车型的全部光栅条纹图像投影序列，所述光栅条纹图像投影序列中的每张光栅条纹图像具有对应的图像编号；

所述FPGA根据上位机指令从对应的子存储区Ci中提取相应序列编号的光栅条纹图像，输出到三维扫描仪；所述三维扫描仪依次投影出光栅条纹图像。

进一步，所述子存储区C_i内存储的光栅条纹图像是按照最高比特位位图到最低比特位位图的顺序依次排列存储的。

进一步，FPGA根据上位机指令依次提取所需光栅条纹图像；

所述上位机指令为子存储区C_i地址信息和光栅条纹图像投影序列；

FPGA从最高比特位图到最低比特位图逐位图提取光栅条纹图像，并输出到三维扫描仪进行投影；

提取当前比特位图时，其前面所有提取的比特位图均处于投影状态。

进一步，所述三维扫描仪对单张光栅条纹图像的每个比特位图的投影时间为整张图像显示时间1/2^t；

其中，t为比特位图被FPGA提取的次序。

即：当最高比特位图开始投影显示时，提取次高比特位图，并依次提取至最低比特位图；每张比特位图的投影显示时间是整张光栅条纹图像显示时间的为整张图像显示时间1/2^t。

进一步，每个所述子存储区C_i中还包括索引表L_j，j＝1,2…n,n为人为设定的索引表数量；每个所述索引表L_j为其所在的子存储区中的全部或部分光栅条纹图像的投影顺序排列，每个索引表L_j中的光栅条纹图像投影顺序不同。

上位机可以按照实际需要直接调用对应的索引表L_j，FPGA按照已经排序好的图像编号输出对应光栅图像，三维扫描仪输出不同排列顺序的光栅条纹图像投影序列。

进一步，每个所述索引表L_j中还包括每张光栅条纹图像的投影显示时间；

进一步，所述第一存储区域和第二存储区域采用双倍速率同步动态随机存储器(DDR,Double Data Rate)，优选，采用第三代同步动态随机存储器DDR3或第四代同步动态随机存储器DDR4；

进一步，光栅条纹图像投影序列为不同车型、不同车身测量位置在测试时所需投影的光栅条纹图像的序列。

进一步，所述光栅条纹图像投影序列为三维扫描仪在单一投影位置所需投影的多幅光栅条纹图像的序列。

进一步，所述系统还包括相机，所述相机与上位机相互通讯，依次采集所有光栅条纹图像并传输到上位机，上位机分析处理接收到的光栅条纹图像，随后生成被测物表面点云数据。

一种光栅条纹图像投影序列的切换方法，包括如下步骤：

1)将一款或多款待测车型的光栅条纹图像投影序列加载到FPGA中对应的子存储区C_i中，i＝1，2...m；m为待测的不同车型的数目；所述光栅条纹图像投影序列中的每张光栅条纹图像具有对应的图像编号；

或者，在对前一待测车型利用三维扫描仪进行光栅投影的同时，将后一待测车型检测所需光栅条纹投影序列存储到FPGA的一个子存储区内；

2)当三维扫描仪位于指定测量位置需要向被测物表面投影光栅条纹图像投影序列时，上位机发送指令，FPGA解析上位机指令，提取子存储区C_i中对应的光栅条纹图像；每张光栅条纹图像被FPGA从最高比特位图到最低比特位图逐位图提取，并输出到三维扫描仪进行投影，单张光栅条纹图像的每个比特位图的投影时间为整张图像显示时间的1/2^t，t为比特位图被FPGA提取的次序；

所述上位机指令包括子存储区C_i地址信息、光栅条纹图像投影序列中每张光栅条纹图像的图像编号或索引表L_j的在FPGA里的地址信息。

优势：

本发明切换系统通过FPGA逻辑控制直接从动态存储器取光栅图像用于投影，数据读取速度快，从投影序列的切换到投射过程延时不超过1ms；尤其适用于高分辨光栅图像的投影，在整车身测量过程中，不同测量位置处投影序列频繁切换，在采用本方案投影序列切换方式之后，能将测量一辆白车身时投影序列切换造成的系统等待时间缩短1-2个小时，节省整车三维扫描测量时间；

采用FPGA逻辑控制直接从动态存储器读取高分辨率光栅图像，三维扫描仪无需再采用带CPU的功能完备的芯片，可以直接采用具有FPGA连接接口的、不具有CPU的主控芯片，该主控芯片接收FPGA传输的光栅图像投影序列，进行投影，节约成本、输出速度提高，FPGA能够在50us内读取一张2560x1600x1bit的位图；同时，FPGA的子存储区中提供多种光栅图像投影序列索引表，可以在同一款车型中提供多种投影序列方式。

附图说明

图1为本发明实施例结构示意图；

图2为本发明实施例中不同子存储区存储结构示意图；

图3为本发明实施例中每位比特位位图的投影时间示意图。

具体实施方式

以下结合附图1-3和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

首先对不同款的车型分别进行示教过程，在每款车型的车身不同测量位置处分别记录三维扫描仪需要投影的光栅条纹图像投影序列；

其中，光栅条纹图像投影序列为三维扫描仪在单一投影位置投影出的多幅光栅条纹图像的组合，每张光栅条纹图像是2560×1600×8bit像素。

一种光栅条纹图像投影序列的切换系统，包括上位机、三维扫描仪、FPGA；上位机发出投影指令并指定光栅条纹图像的投影序列，FPGA包括两片动态随机存储器DDR3；分别记为第一存储区域和第二存储区域，第一存储区域用于提供程序运行所需内存；

将第二存储区域划分为4个子存储区C₁、C₂、C₃、C₄，4个子存储区按比特位依次存储4款不同车型在示教过程中获得的测量时所需的光栅条纹图像投影序列。

其中每个子存储区存储单一车型的全部光栅条纹图像投影序列，光栅条纹图像投影序列中的每张光栅条纹图像具有对应的图像编号；

上位机发送的指令指令包括子存储区C_i的地址信息以及当前测量位置处光栅条纹图像投影序列。

FPGA据上位机指令从对应的子存储区Ci中提取相应序列编号的光栅条纹图像，输出到三维扫描仪；三维扫描仪依次投影出光栅条纹图像。

具体的光栅条纹图像存取过程：

单幅光栅条纹图像包含2560x1600个8bit像素，上位机将8bit的像素值按bit位拆分成8个1bit分量，整幅图像即可拆分为8张2560x1600的1bit灰度图，拆分后的图像按最高比特位位图到最低比特位位图的顺序依次连续排列存放于对应的子存储区C_i中，FPGA在向三维扫描仪发光栅条纹图像数据时，直接连续的读取1bit灰度图，存取数据的过程更高效；

FPGA通过512bit数据位宽的AXI4总线从子存储区C_i(64bit DDR3)中读取光栅条纹图像时，AXI4总线工作频率采用200MHz，总线有效带宽200x512 x0.8＝80Gbps，64位DDR3工作在800MHz主频时，FPGA可以在50us内读取一张2560x1600x1bit的位图，再按照数据行的方式传输到三维扫描仪。

FPGA根据上位机指令中的子存储区C_i地址信息和光栅条纹图像投影序列，依次提取对应的光栅条纹图像，FPGA具有图像缓存区，本实施例中，所述图像缓存区能够同时缓存四位位图，如图3所示，FPGA从最高比特位图开始提取，输出到三维扫描仪进行投影，最高比特位图的投影时间是整张光栅条纹图像显示时间的1/2¹，当最高比特位图开始显示时，提取、缓存四位低位比特位图，即图像缓存区存储第二到第五位比特位图；当次高比特位图被投影时，图像缓存区存储第六位比特位图……

次高比特位图的投影时间是整张光栅条纹图像显示时间的1/2²…提取至最低比特位图，最低的位图显示时间是整张图像显示时间的1/2⁸，每一个时间段里只有一个位图是处于投影状态的，完成了整张光栅投影图2560x1600x8bit的提取、显示；

进一步，如图2所示，每个子存储区C_i中还包括索引表L_j，j＝1,2…n,n为人为设定的索引表数量；每个索引表L_j为对其所在的子存储区中的全部或部分光栅条纹图像投影顺序的排列，且每个索引表L_j中的光栅条纹图像投影顺序的排序方式各不相同。

上位机可以按照实际需要直接调用对应的索引表L_j，在上位机指令中发送索引表L_j的地址信息给FPGA，FPGA按照索引表L_j中已经排序好的图像编号输出对应光栅图像，三维扫描仪输出不同排列顺序的光栅条纹图像投影序列。

进一步，每个索引表L_j中还包括每张光栅条纹图像的投影显示时间；

进一步，系统还包括相机，相机与上位机相互通讯，依次采集所有投影光栅序列图像，传输到上位机，上位机分析处理投影光栅序列图像生成被测物表面点云数据。

本实施例的光栅条纹图像投影序列的切换方法，包括如下步骤：

1)将一款或多款待测车型的光栅条纹图像投影序列加载到FPGA中对应的子存储区C_i中，i＝1，2...4；所述光栅条纹图像投影序列中的每张光栅条纹图像具有对应的图像编号，No.1、No.2、No.3…；

或者，在对前一待测车型利用三维扫描仪进行光栅投影的同时，将后一待测车型检测所需光栅条纹投影序列存储到FPGA的一个子存储区内；

2)当三维扫描仪位于指定测量位置需要向被测物表面投影光栅条纹图像投影序列时，上位机发送指令，FPGA解析上位机指令，提取子存储区C_i中对应的光栅条纹图像；每张光栅条纹图像被FPGA从最高比特位图到最低比特位图逐位图提取，并输出到三维扫描仪进行投影，单张光栅条纹图像的每个比特位图的投影时间为整张图像显示时间的1/2^t，t为比特位图被FPGA提取的次序；

所述上位机指令包括子存储区C_i地址信息、光栅条纹图像投影序列中每张光栅条纹图像的图像编号或索引表L_j的在FPGA里的地址信息。

即,在三维扫描仪对第一款待测车型进行光栅投影的同时，FPGA将第二款待测车型的光栅条纹图像投影序列加载子存储区C₂；

在三维扫描仪对第二款待测车型进行光栅投影的同时，FPGA将第三款、第四款待测车型的光栅条纹图像投影序列加载子存储区C₃、C₄；

或者，系统第一次上电开始工作时，FPGA通过以太网将所有待测车型的光栅条纹图像投影序列依次加载到子存储区C_i；

这样能够在检测过程中或者整体检测之前加载完成光栅条纹图像投影序列，在切换车型检测时，不必再耗费时间进行光栅条纹图像投影序列加载，才能检测；

当需要测量不同款式的车型时,改变光栅图像投影序列,只需上位机改变指令中的子存储区C_i地址信息，由于不同的子存储区C_i中已经预先存储了待测车型的光栅图像投影序列,因此整个切换过程不再需要等待时间，切换时间小于1ms；并且FPGA按照比特位进行图像数据的存、取，数据传输高效。

为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语“上”、“下”、“内”和“外”被用于参考附图中所显示的这些特征的位置来描述示例性实施方式的特征。

前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。

Claims (9)

1.一种光栅条纹图像投影序列的切换系统，其特征在于：包括上位机、三维扫描仪、FPGA；所述上位机发出投影指令并指定光栅条纹图像的投影序列，所述FPGA包括第一存储区域和第二存储区域，所述第二存储区域划分为多个子存储区C_i，i＝1，2，3…m，m为待测的不同车型的数目；

所述第一存储区域用于提供程序运行所需内存；所述多个子存储区C_i用于分别存储不同款车型测量所需的光栅条纹图像投影序列，其中，每个子存储区存储单一车型的全部光栅条纹图像投影序列，所述光栅条纹图像投影序列中的每张光栅条纹图像具有对应的图像编号；

所述FPGA根据上位机指令从对应的子存储区Ci中提取相应序列编号的光栅条纹图像，输出到三维扫描仪；所述三维扫描仪依次投影出光栅条纹图像；

所述FPGA根据上位机指令依次提取所需光栅条纹图像；

所述上位机指令包括子存储区C_i地址信息、光栅条纹图像投影序列中每张光栅条纹图像的图像编号；

FPGA从最高比特位图到最低比特位图逐位图提取光栅条纹图像，并输出到三维扫描仪进行投影；

当高位比特位图均处于投影状态时，FPGA缓存多个低位比特位图。

2.如权利要求1所述光栅条纹图像投影序列的切换系统，其特征在于：所述子存储区C_i内存储的光栅条纹图像是按照最高比特位位图到最低比特位位图的顺序依次排列存储的。

3.如权利要求1所述光栅条纹图像投影序列的切换系统，其特征在于：所述三维扫描仪对单张光栅条纹图像的每个比特位图的投影时间为整张图像显示时间的1/2^t；

其中，t为比特位图被FPGA提取的次序。

4.如权利要求1所述光栅条纹图像投影序列的切换系统，其特征在于：每个所述子存储区C_i中还包括索引表L_j，j＝1,2…n，n为人为设定的索引表数量；每个所述索引表L_j为其所在的子存储区中的全部或部分光栅条纹图像的投影顺序排列，每个索引表L_j中的光栅条纹图像投影顺序不同。

5.如权利要求4所述光栅条纹图像投影序列的切换系统，其特征在于：每个所述索引表L_j中还包括每张光栅条纹图像的投影显示时间。

6.如权利要求1所述光栅条纹图像投影序列的切换系统，其特征在于：光栅条纹图像投影序列为不同车型、不同车身测量位置在测试时所需投影的光栅条纹图像的序列。

7.如权利要求1或6所述光栅条纹图像投影序列的切换系统，其特征在于：所述光栅条纹图像投影序列为三维扫描仪在单一投影位置所需投影的多幅光栅条纹图像的序列。

8.如权利要求1所述光栅条纹图像投影序列的切换系统，其特征在于：所述系统还包括相机，所述相机与上位机相互通讯，依次采集所有光栅条纹图像并传输到上位机，上位机分析处理接收到的光栅条纹图像，随后生成被测物表面点云数据。

9.一种光栅条纹图像投影序列的切换方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将一款或多款待测车型的光栅条纹图像投影序列加载到FPGA中对应的子存储区C_i中，i＝1，2...m；m为待测的不同车型的数目；所述光栅条纹图像投影序列中的每张光栅条纹图像具有对应的图像编号；

或者，在对前一待测车型利用三维扫描仪进行光栅投影的同时，将后一待测车型检测所需光栅条纹投影序列存储到FPGA的一个子存储区内；

2)当三维扫描仪位于指定测量位置需要向被测物表面投影光栅条纹图像投影序列时，上位机发送指令，FPGA解析上位机指令，提取子存储区C_i中对应的光栅条纹图像；每张光栅条纹图像被FPGA从最高比特位图到最低比特位图逐位图提取，并输出到三维扫描仪进行投影，单张光栅条纹图像的每个比特位图的投影时间为整张图像显示时间的1/2^t，t为比特位图被FPGA提取的次序；

所述上位机指令包括子存储区C_i地址信息、光栅条纹图像投影序列中每张光栅条纹图像的图像编号或索引表L_j的在FPGA里的地址信息。

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