CN113465545B - 一种基于高速led阵列的三维测量系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高速LED阵列的三维测量系统及其测量方法，该系统通过控制板卡的I/O输出控制信号使得LED阵列直接输出二值方波条纹，接着调整成像镜头使之稍微离焦，使投射的二值方波条纹生成正弦条纹，将该离焦调制后的光束投射到被测物体的表面，此时正弦条纹经物体深度调制后会产生一定的形变，再由相机镜头收集与物体作用后的光束并汇聚到CCD相机接收面，计算机采集CCD相机拍摄到的图案进行数据处理与三维解算，得到物体三维形貌信息。本发明采用高速LED阵列直接投射不同宽度的二值方波条纹可以实现对物体的高速三维测量。
Description
技术领域
本发明属于光学三维测量领域，具体涉及一种基于高速LED阵列的三维测量系统及其测量方法。
背景技术
社会的不断发展和科技的日益进步，推动着对物体三维测量技术的快速发展，使其在工业、医学、消费娱乐、汽车无人驾驶、安防、文物保护以及科学研究等领域，显示出了越来越广泛的应用前景。物体的三维测量方法可分为接触式测量和非接触式测量两大类，接触式测量方法以传统三坐标测量仪为代表，测量速度慢、设备复杂、接触操作容易对被测物体造成损伤；非接触式测量方法以光学三维形貌测量技术为代表，测量速度快、非接触操作、可全场测量、应用场景更加广泛。
光学三维测量技术无需接触物体表面即可获取物体三维信息，其主要包括飞行时间技术、立体视觉和结构光技术。飞行时间(TOF)技术使用发射器主动发射调制光，光学传感器收集被物体散射回来的光，通过计算信号离开和返回设备的时间来恢复深度信息，其测量系统紧凑，适用于移动三维测量，但由于光的传播非常快，因此该方法对短距离物体测量可实现的深度分辨率通常不高；立体视觉技术至少从两个不同的角度捕获图像，对不同角度的图像进行特征点查找并匹配，然后基于三角测距原理计算物体的3D坐标，立体视觉方法因为仅使用摄像设备，其测量速度可达到相机捕获图像的速度，但是此方法的测量精度取决于被测对象表面纹理的丰富程度；结构光技术类似于立体视觉技术，不同之处在于用投影仪代替一台摄像机。利用投影设备主动地投影结构化图案，投影的结构化图案带有编码信息，可以从根本上解决立体视觉技术中的特征点匹配困难问题，由于结构光编码图案的灵活性和多功能性，其在高速，高精度3D形状测量方面变得越来越重要。
基于正弦条纹结构光投影的三维测量技术以其高速和高精度，无接触测量的优势，广泛应用于高速三维测量中，该技术目前常规的方法是采用数字光处理(DLP)投影仪来实现正弦条纹的投影，DLP先进光控制技术的主要核心是采用数字微镜器件(DigitalMicromirrors Device，简称DMD)来实现空间光调制，但由于该空间光调制器的调制速度有限(上述方法中最快的DMD目前达到22kHz调制速度)极大限制了正弦条纹的投影速度，是其技术发展的瓶颈问题，也是相关领域科学工作者亟待攻克的难点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是对现有光学三维测量技术受到数字投影仪的投影速度限制，提供一种基于高速LED阵列的三维测量系统及其测量方法，主要使用高速LED阵列投影、同步相机控制技术，实现对物体表面形貌的快速测量
本发明基于高速LED阵列的三维测量系统，包括计算机、控制板卡、LED阵列、成像镜头、物体、相机镜头与CCD相机。
所述控制板卡的I/O输出控制信号给LED阵列，由LED阵列通过直接编码的方式输出二值方波条纹。二值方波条纹经由成像镜头离焦调制后形成正弦条纹，投射到待测物体表面。再由相机镜头收集被物体调制后的正弦条纹并成像到CCD相机的接收面；控制板卡对CCD相机进行外部触发控制，实现对LED阵列投影和CCD相机拍摄的同步控制。CCD相机将拍摄到的图像数据传送到计算机，由计算机根据三维测量中的相位与三维坐标的映射关系得到被测物体表面的坐标，完成三维重建。
针对上述三维测量系统，本发明还提出一种基于高速LED阵列的三维测量测量方法，具体步骤如下：
步骤一：LED阵列编码输出二值方波条纹。
步骤二：对LED阵列编码输出的二值方波条纹进行离焦调制，形成正弦条纹投射至待测三维物体。
步骤三：CCD相机同步高速采集经过物体高度调制后的正弦条纹。
步骤四：对CCD采集的正弦条纹进行相位解调，分别得到不同频率正弦条纹的包裹相位，再利用多频外差方法进行相位展开，获得不同频率正弦条纹的绝对相位。
步骤五：根据三维测量中的相位与三维坐标的映射关系得到被测物体表面的坐标，进行三维重建，完成被测物体表面三维测量。
本发明的优点在于：
1、本发明基于高速LED阵列的三维测量系统，使用高速LED阵列作为二值方波条纹的投影器件可以极大提高投影切换速度，相对于传统的数字投影仪设备可提高2个数量级。
2、本发明基于高速LED阵列的三维测量方法，通过对LED投影的二值方波条纹使用离焦技术，实现了LED直接投影产生正弦条纹，进而实现了利用LED高速切换速率完成超高速三维测量的方法。
3、本发明基于高速LED阵列的三维测量方法，相对于现有光学三维测量的方案中使用的数字投影仪和激光器等设备，LED阵列具有更低的价格。
附图说明
图1为本发明基于高速LED阵列的三维测量系统示意图；
图2为本发明基于高速LED阵列的三维测量方法流程图；
图3为本发明基于高速LED阵列的三维测量方法中LED阵列的控制方式示意图；
图4为本发明基于高速LED阵列的三维测量方法中待LED阵列显示的四步相移二值图案；
图5为本发明基于高速LED阵列的三维测量方法中离焦后生成的正弦条纹图；
图6为采用本发明方法得到的物体绝对相位分布图；
图7为采用本发明方法得到的物体深度信息图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明基于高速LED阵列的三维测量系统包括计算机、控制板卡、LED阵列、成像镜头、物体、相机镜头与CCD相机，如图1所示。
其中，控制板卡的I/O输出控制信号给LED阵列，通过直接编码的方式输出二值方波条纹；此处LED阵列的输出为LED阵列上的灯珠的亮灭；二值方波条纹即指LED阵列由不同列灯珠的同时点亮时二值方波条纹对应的图案。该二值方波条纹经由成像镜头离焦调制后形成正弦条纹，投射到待测物体表面，再由相机镜头收集被物体调制(随着物体高度的不同，导致物体表面的条纹位置(或形状)发生一定的偏移(或弯曲)，称之为被物体调制)后的正弦条纹并成像到CCD相机的接收面。通过控制板卡对CCD相机进行外部触发控制，实现对LED阵列投影和CCD相机拍摄的同步控制，CCD相机将拍摄到的数据传送到计算机，根据三维测量中的相位与三维坐标的映射关系得到被测物体表面的坐标，完成三维测量。
针对上述基于高速LED阵列的三维测量系统，在进行三维测量时，如图2所示，具体方法为：
步骤一：LED阵列编码输出二值方波条纹。
采用M个(M≥2)高频正弦条纹合成在测量范围内只有一个周期的低频正弦条纹，通过多频外差的方法来实现包裹相位在测量范围内的无歧义展开；首先，确定M个高频正弦条纹的频率(或周期)，采用分辨率为n*n的LED阵列编码出与其频率(或周期)一致的二值方波条纹，然后根据每一种高频正弦条纹所采用相移法的相移步数Ni，Ni的取值大于等于3。随后，对二值方波条纹平移，依次获得该高频正弦条纹下对应的Ni幅相移的二值方波条纹。至此，M个高频正弦条纹共需编码得到
幅二值方波条纹。其中，二值方波条纹中的“1”表示LED阵列单元的点亮，“0”表示熄灭，LED阵列按整行或整列方式控制，如图3所示为LED阵列的控制方式示意图。
步骤二：对LED阵列编码输出的二值方波条纹进行离焦调制，形成正弦条纹投射至待测三维物体。
对步骤一所述，编码的
幅二值方波条纹，依次进行投影，成像镜头对LED阵列编码的二值方波条纹离焦调制，形成质量较高的正弦条纹，如图5所示，并投影至待测三维物体，在投影过程中，LED阵列按整行或整列方式控制，进行高速投影切换，如图4所示。
步骤三：CCD相机同步高速采集经过物体高度调制后的正弦条纹
采用控制板输出同步触发信号控制CCD相机，使CCD相机与LED切换投影速度同步，采集经过物体高度调制后的正弦条纹，并保存输出到计算机。
步骤四：对CCD采集的正弦条纹进行相位解调，分别得到不同频率正弦条纹的包裹相位，再利用多频外差方法进行相位展开，获得不同频率正弦条纹的绝对相位。
以四步相移算法为例，每步的相移为π/2，在理想情况下，经成像镜头离焦生成的四幅标准正弦条纹的图像灰度表达式分别为：
I1(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)] (1)
I2(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)+π/2] (2)
I3(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)+π] (3)
I4(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)+3π/2] (4)
其中，I(x,y)为正弦条纹的图像灰度分布，(x,y)为正弦条纹的图像像素位置的坐标A(x,y)为背景光强，B(x,y)为调制强度，φ(x,y)为待求相位。
根据上面方程(1)～(4)联立求解得到投影的四步相移正弦条纹的包裹相位为：
利用多频外差法，对所述的包裹相位φ(x,y)进行相位展开得到绝对相位，令Φ1(x,y)，Φ2(x,y)分别是两个频率条纹的绝对相位值；k1，k2是相位跳变阶数，当两种频率正弦条纹的波长分别是λ1和λ2且λ1<λ2<2λ1，那么两种频率的正弦条纹有如下关系：
φeq(x,y)＝φ1(x,y)-φ2(x,y) (7)
式中，φeq(x,y)是合成相位，λeq是合成波长。
根据上述关系，求解得到不同频率正弦条纹的绝对相位分布。
步骤五：根据三维测量中的相位与三维坐标的映射关系得到被测物体表面的坐标，进行三维重建，完成被测物体表面的三维测量。
对本发明的基于高速LED阵列的三维测量方法及其测量系统进行实物实验验证，实验使用了32x32的高速LED阵列，对台阶高度为2mm的多级阶梯实物进行高度测量，实验结果如图6、图7所示，可见采用本发明测量方法及其测量系统，实现了对阶梯状物体的高度测量。
相比现有采用数字投影仪来投影二值条纹，其投影速率为20kHz量级，而本发明的高速LED阵列的投影速率为MHz量级，对于投影同样多二值条纹的情况下投影时间可以提高2个量级，从而大幅提升三维测量速度。
Claims (1)
1.一种基于高速LED阵列的三维测量系统，其特征在于：包括计算机、控制板卡、高速LED阵列、成像镜头、物体、相机镜头与CCD相机；
所述控制板卡的I/O输出控制信号给分辨率为n*n的高速LED阵列，由高速LED阵列通过直接编码的方式输出二值方波条纹；高速LED阵列的输出为LED阵列上的灯珠的亮灭；二值方波条纹即指LED阵列由不同列灯珠的同时点亮时二值方波条纹对应的图案；高速LED阵列利用并行的控制信号在一个时间周期内实现所有行列控制，只需2×n个I/O端口，在一个LED灯的开关时间显示待投影的编码二值条纹图案；二值方波条纹经由成像镜头离焦调制后形成正弦条纹，投射到待测物体表面，再由相机镜头收集被物体调制后的正弦条纹并成像到CCD相机的接收面；控制板卡对CCD相机进行外部触发控制，实现对高速LED阵列投影和CCD相机拍摄的同步控制；CCD相机拍摄的图像数据传送到计算机，由计算机根据三维测量中的相位与三维坐标的映射关系得到被测物体表面的坐标，完成三维重建；
高速LED阵列在进行三维测量时，具体方式为：
步骤一：LED阵列编码输出二值方波条纹；
首先，确定M个高频正弦条纹的频率或周期，采用分辨率为n*n的LED阵列编码出与其频率或周期一致的二值方波条纹，然后根据每一种高频正弦条纹所采用相移法的相移步数Ni，Ni的取值大于等于3，对二值方波条纹平移，依次获得该高频正弦条纹下对应的Ni幅相移的二值方波条纹；至此，M个高频正弦条纹共需编码得到
幅二值方波条纹；其中，二值方波条纹中的1表示LED阵列单元的点亮，0表示熄灭，LED阵列按整行或整列方式控制；
步骤二：对步骤一所述编码的
幅二值方波条纹，依次进行投影，成像镜头对LED阵列编码的二值方波条纹离焦调制，形成质量较高的正弦条纹，并投影至待测三维物体，在投影过程中，LED阵列按整行或整列方式控制，进行高速投影切换；
步骤三：采用控制板输出同步触发信号控制CCD相机，使CCD相机与LED 切换投影速度同步，采集经过物体高度调制后的正弦条纹，并保存输出到计算机；
步骤四：对CCD采集的正弦条纹进行相位解调，分别得到不同频率正弦条纹的包裹相位，再利用多频外差方法进行相位展开，获得不同频率正弦条纹的绝对相位；
采用四步相移算法，每步的相移为π/2，在理想情况下，经成像镜头离焦生成的四幅标准正弦条纹的图像灰度表达式分别为：
I1(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)cos[φ(x，y)] (1)
I2(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)cos[φ(x，y)+π/2] (2)
I3(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)cos[φ(x，y)+π] (3)
I4(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)cos[φ(x，y)+3π/2] (4)
其中，I(x，y)为正弦条纹的图像灰度分布，(x，y)为正弦条纹的图像像素位置的坐标，A(x，y)为背景光强，B(x，y)为调制强度，φ(x，y)为待求相位；
根据上面方程(1)～(4)联立求解得到投影的四步相移正弦条纹的包裹相位为：
利用多频外差法，对所述的包裹相位φ(x，y)进行相位展开得到绝对相位，令Φ1(x，y)，Φ2(x，y)分别是两个频率条纹的绝对相位值；k1，k2是相位跳变阶数，当两种频率正弦条纹的波长分别是λ1和λ2且λ1＜λ2＜2λ1，那么两种频率的正弦条纹有如下关系：
φeq(x，y)＝φ1(x，y)-φ2(x，y) (7)
式中，φeq(x，y)是合成相位，λeq是合成波长；
根据上述关系，求解得到不同频率正弦条纹的绝对相位分布；
步骤五：根据三维测量中的相位与三维坐标的映射关系得到被测物体表面的坐标，进行三维重建，完成被测物体表面的三维测量。
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