CN111649691A - 基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统及方法,将传统的高精度数字条纹投影三维成像技术与具备宽波段成像能力的单像素成像方式相结合,降低了宽波段三维成像成本,提高了系统精度。该方法主要包括数字条纹投影部分,单像素重构和三维深度信息恢复三个过程:使用数字微镜整列替代传统的物理光栅,投影根据Bayer抖动技术使用二元黑白条纹模拟正弦条纹图案;物体面型调制后的畸变条纹经过镜头成像到光调制器调制靶面上,光调制器加载的是哈达玛矩阵进行调制后,单像素探测器探测出射光强,关联运算得到二维强度图;对于四步相移投影得到二维强度图,计算得到待测物体相位,完成相位与高度的映射工作后,对系统进行了梯形矫正。
Description
技术领域
本发明属于精密光学三维成像领域,具体涉及一种基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统及成像方法。
背景技术
人眼通过视觉系统接收外界光线强度及波长变化,得到外界事物的亮暗,颜色等众多信息,通过学习人类视网膜而发明的多像素阵列型探测器(如CCD和CMOS)成为当前二维成像技术的最主要成像器件。随着技术的不断革新,基础器件的日渐成熟,二维成像已经实现了集低成本,高精度和小体积等各项优点的集成器件,但三维成像技术一直在精度,速度以及便携上与传统的二维成像方式有着巨大的差距。
三维成像技术,简单来说就是在二维图像的基础上,提取真实世界的深度信息。传统的深度提取方法主要通过多视角或者3D扫描等方式来完成,相关的三维成像方式主要包括:(1)多目视觉法。通过使用多个阵列式探测设备在不同视角进行拍摄多幅图像,通过后期图像处理得出物体的深度信息;(2)飞行时间法,其中最具代表性的技术就是激光雷达。使用激光器发射高速光脉冲,通过计算激光出射时到探测器接收之间的时间差来计算光源到物体间的距离,从而得到物体深度。(3)结构光投影法。通过使用主动投影器件投影出载频条纹到被测物体表面,经物体调制后的畸变条纹由探测器接收,其畸变程度与物体高度有着一一对应的映射关系。目前的三维成像技术都还存在着一定缺陷。多目视觉成本低,受环境影响小,但其受物体形貌影响大,不同物体得到的精度结果具有非常大的差异;飞行时间法,则对成本提出了较高的要求,并且以牺牲成本为代价;结构光投影技术,对环境具有一定要求,但因其精度高的同时又具有相当的速度,还是成为当前三维成像方式的热点。
除此之外,非可见光波段的阵列式探测器成本高,技术难度大,一直限制着非可见光成像领域的发展。而单像素探测器不仅建造技术难度大大降低,成本下降,而且其还具有更低的暗噪声,更快的响应时间等优点。由此,单像素成像方式作为一种宽波段成像的低成本解决方式受到了广泛的关注。
近十几年来,单像素三维成像方法得到了较多发展。基于阴影提取物体形貌信息的单像素探测器多视角成像方式;基于单像素探测飞行时间的三维成像方式;基于傅里叶条纹轮廓术的三维成像方式等等。但目前的单像素三维成像方式在探测时间以及探测精度上都达不到具有相当可以提升的地步。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统及成像方法,解决了单像素三维成像系统成像精度不高的问题。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统,包括:数字条纹投影单元和单像素探测器单元;所述数字条纹投影单元包括白色LED光源、第一光调制和投影透镜;所述单像素探测器单元包括单像素探测器、第二光调制器和成像透镜;所述白色LED光源出射面阵白光经反射镜反射后照在第一光调制器上,第一光调制器将二元抖动正弦条纹图案经投影透镜成像到目标靶面上,经过物体面型调制得到的畸变正弦条纹经成像透镜成像到第二光调制器上,所述第二光调制器将产生哈达玛正交图案对畸变条纹图进行调制,由单像素探测器收集反射得到的光强,并传输至计算机中重构得到二维光强图。
进一步的,采用Bayer抖动技术使用二元黑白条纹模拟正弦条纹图案。
基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统的成像方法,包括以下步骤:
步骤S1:采用四步相移算法,获取固定相移变量的四副正弦条纹图;
步骤S2:根据得到的四副正弦条纹图,得到的四幅不同相位的二维强度图,并相位求解算法,计算得到物体的相位图;
步骤S3:根据得到的相位图,采用洪水解包算法,得到解包裹相位图;
步骤S4:通过系统标定,得到物体深度信息与相位变化的一一对应关系,进一步的,由解包裹相位图,得到物体的三维信息。
进一步的,所述正弦数字条纹投影获取,具体包括以下步骤:
步骤S11:生成固定周期和不同相移步数的8bit正弦条纹;
步骤S12:根据Bayer抖动原理,生成抖动阈值单位矩阵,单位矩阵经过扩充产生与正弦投影条纹相同分辨率的阈值判断矩阵,阈值矩阵与正弦矩阵每个像素进行对比,大于阈值为1,小于阈值为0,从而得到二值抖动正弦条纹图;
步骤S13:通过控制第一光调制器不同振镜反射方向,加载处理得到的二值正弦条纹图,白色LED光源照射后经投影透镜投影到待测物体靶面上。
进一步的,所述二维强度图重构,具体如下:
步骤S21:加载了被测物体深度信息的条纹图经过成像透镜成像到第二光调制器上,第二光调制器将按顺序产生完备正交哈达玛矩阵,经过成像矩阵调制后的光强由单像素探测器同步进行探测反射光强;
步骤S22:探测得到与哈达玛调制矩阵--对应的光强值,哈达玛矩阵为已知矩阵,两者进行关联运算,进一步重构出二维光强图。
进一步的,所述四步相移算法每步相移间隔为π/2,由此,条纹投
影图表示为:
其中,n为相移步数,I′为平均照射光强,I″为调制光强。
进一步的,所述相位求解算法具体为,根据四步相移得到的四幅畸变条纹图,按照下式进行两两相减,从而得到具有2π相位跳变的相位图
进一步的,所述步骤S4具体为:
步骤S41:对待测物体靶面进行前后位移各四次,分别进行四步相移投影,经计算得到不同位置的解包裹相位图;
步骤S42:分别对每一个像素的实际距离和相位变化进行拟合,得到相位与高度的映射关系,并进一步得到物体深度信息。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
1、本发明采用数字条纹投影进行三维成像的方法,重构结果精度更高,解决了单像素三维成像系统成像精度不高的问题。
2、本发明将单像素探测与数字条纹投影相结合,降低了三维成像系统成本。
附图说明
图1是本发明一实施例中根据抖动技术由正弦条纹图产生二值模拟正弦条纹图的示意图;
图2是本发明系统简图;
图3是本发明一实施例中成像系统对简单物体的成像效果展示;其中,(a)为真实物体,(b)为单像素重构二维图,(c)为重构出的物体三维图;
图4是本发明一实施例中对半径为25mm三分之一球的误差分析;
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图2,本发明提供一种基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统,包括:数字条纹投影单元和单像素探测器单元;所述数字条纹投影单元包括白色LED光源、第一光调制和投影透镜;所述单像素探测器单元包括单像素探测器、第二光调制器和成像透镜;所述白色LED光源出射面阵白光经反射镜反射后照在第一光调制器上,第一光调制器将二元抖动正弦条纹图案经投影透镜成像到目标靶面上,经过物体面型调制得到的畸变正弦条纹经成像透镜成像到第二光调制器上,所述第二光调制器将产生哈达玛正交图案对畸变条纹图进行调制,由单像素探测器收集反射得到的光强,并传输至计算机中重构得到二维光强图。
在本实施例中,数字条纹投影单元采用普通的LED白光面阵光源经反射镜反射后由光调制器(DLP6500)进行正弦调制,调制器的调制靶面由1920*1080块数字反射镜组成,电控系统以1,-1的方式控制反射镜的反射角度。
在本实施例中,使用光调制器作为数字光栅,由其产生正弦投影条纹。传统的正弦条纹是在短时间内投影八幅不同的二值条纹,通过快速的切换从而八幅二值条纹图进行叠加得到正弦条纹图,但此方法是以牺牲时间为代价,极大地限制了三维成像系统的高速应用。在该实例中,采用以抖动(Dithering)的方式在二值周期条纹中模拟正弦条纹的方法。该方法的主要原理是通过调节二值周期条纹中暗点分布数目和形状,达到条纹灰度层级分布的特点,从而模拟正弦条纹。
抖动方式的实现方式是通过生成抖动矩阵作为正弦条纹灰度判断的阈值,当正弦条纹图中对应像素点的灰度值高于抖动矩阵的对应阈值时,则为亮点;反之则为暗点。而抖动矩阵的生成方式以及生成大小都存在各种方式。本实例中采用的是应用最为广泛的Byler原理,该方法产生的最小抖动矩阵为
其中,di,j为矩阵的尺度因子,在进行阈值判断前需要将抖动矩阵与尺度因子相乘,从而得到0-1之间的阈值矩阵。抖动矩阵的扩展方式可以由公式2得到
由此,实例中使用抖动的方式用不同疏密程度的周期条纹分布模拟出正弦条纹,经过一个焦距为50mm的佳能镜头投影到待测物体靶面上。
在本实施例中,单像素探测器单元主要由光调制器(数字微镜阵列器件)和单像素探测器两个器件组成。由物体面型调制后的畸变正弦条纹通过一个焦距为45mm的镜头成像在光调制器靶面上,同样地,此处的光调制器将对条纹信息进行编码调制,调制采用的是差分哈达玛矩阵调制,该调制方式也可以通过随机编码,傅里叶编码等方式,由于哈达玛矩阵为一个正交完备矩阵,此实例中采用该矩阵调制方式,经调制后的信号值由单像素探测器接收光强值,记录在电脑中。在电脑中,通过将物体的二维哈达玛调制矩阵与探测到的光强值进行关联运算,可以恢复出物体的二维强度图。
本实施例提供一种基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统的三维成像方法,具体包括以下步骤:
(1)投影固定相移变量的正弦条纹图。在此实例中采用的是四步相移算法,每步相移间隔为π/2,由此,条纹投影图可以表示为:
其中,n为相移步数,I′为平均照射光强,I″为调制光强。
(2)通过四步相移得到的四幅畸变条纹图,按照公式4进行两两相减,从而得到具有2π相位跳变的相位图
(3)通过洪水解包算法,可以在第二步得到的未解包裹相位图中得到连续的相位变化,也就是解包裹相位图。
(4)然后通过系统标定,可以得到物体深度信息与相位变化的一一对应关系,从而,由第三步得到的解包裹相位图可以进一步得到物体的三维信息。
得到物体的相位信息之后,得到物体深度信息的过程中,首先要建立起系统中深度与相位的映射关系。因此,待测物体部分除了一个放置物体的白板以外,白板下方还有一个一维沿z轴方向(投影方向) 位移平台。在该实例中,定义了九个测量位置,以4mm为间隔,沿 z轴从1到9依次排列。在九个不同的位置,分别进行四步相移投影,经计算得到不同位置的接包裹相位图,之后,按照对应像素点与九个位置关系间距离进行拟合,得到了不同像素点像素与深度的映射关系。由此,完成了系统的高度标定。
优选的,在本实施例中,系统中使用棋盘格进行标定,解决了三维测量系统中,单像素探测部分光轴与数字条纹投影部分光轴夹角达到34.22°,这种三角成像关系导致单相素的探测结果有明显的近大远小的畸变问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统,其特征在于,包括:数字条纹投影单元和单像素探测器单元;所述数字条纹投影单元包括白色LED光源、第一光调制和投影透镜;所述单像素探测器单元包括单像素探测器、第二光调制器和成像透镜;所述白色LED光源出射面阵白光经反射镜反射后照在第一光调制器上,第一光调制器将二元抖动正弦条纹图案经投影透镜成像到目标靶面上,经过物体面型调制得到的畸变正弦条纹经成像透镜成像到第二光调制器上,所述第二光调制器将产生哈达玛正交图案对畸变条纹图进行调制,由单像素探测器收集反射得到的光强,并传输至计算机中重构得到二维光强图。
2.根据权利要求1所述的基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统,其特征在于:采用Bayer抖动技术使用二元黑白条纹模拟正弦条纹图案。
3.根据权利要求1所述的基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统的成像方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1:采用四步相移算法,获取固定相移变量的四副正弦条纹图;
步骤S2:根据得到的四副正弦条纹图,得到的四幅不同相位的二维强度图,并相位求解算法,计算得到物体的相位图;
步骤S3:根据得到的相位图,采用洪水解包算法,得到解包裹相位图;
步骤S4:通过系统标定,得到物体深度信息与相位变化的一一对应关系,进一步的,由解包裹相位图,得到物体的三维信息。
4.根据权利要求3所述的基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统的成像方法,其特征在于,所述正弦数字条纹投影获取,具体包括以下步骤:
步骤S11:生成固定周期和不同相移步数的8bit正弦条纹;
步骤S12:根据Bayer抖动原理,生成抖动阈值单位矩阵,单位矩阵经过扩充产生与正弦投影条纹相同分辨率的阈值判断矩阵,阈值矩阵与正弦矩阵每个像素进行对比,大于阈值为1,小于阈值为0,从而得到二值抖动正弦条纹图;
步骤S13:通过控制第一光调制器不同振镜反射方向,加载处理得到的二值正弦条纹图,白色LED光源照射后经投影透镜投影到待测物体靶面上。
5.根据权利要求3所述的基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统的成像方法,其特征在于,所述二维强度图重构,具体如下:
步骤S21:加载了被测物体深度信息的条纹图经过成像透镜成像到第二光调制器上,第二光调制器将按顺序产生完备正交哈达玛矩阵,经过成像矩阵调制后的光强由单像素探测器同步进行探测反射光强;
步骤S22:探测得到与哈达玛调制矩阵--对应的光强值,哈达玛矩阵为已知矩阵,两者进行关联运算,进一步重构出二维光强图。
8.根据权利要求3所述的基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统的成像方法,其特征在于,所述步骤S4具体为:
步骤S41:对待测物体靶面进行前后位移各四次,分别进行四步相移投影,经计算得到不同位置的解包裹相位图;
步骤S42:分别对每一个像素的实际距离和相位变化进行拟合,得到相位与高度的映射关系,并进一步得到物体深度信息。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200911 |
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