CN113701662B - 基于振镜的结构光编码条纹光栅图案生成方法 - Google Patents

基于振镜的结构光编码条纹光栅图案生成方法 Download PDF

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CN113701662B CN202110183808.8A CN202110183808A CN113701662B CN 113701662 B CN113701662 B CN 113701662B CN 202110183808 A CN202110183808 A CN 202110183808A CN 113701662 B CN113701662 B CN 113701662B
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Abstract

本发明属于结构光投影技术领域，具体涉及一种基于振镜的结构光编码条纹光栅图案生成方法：利用激光器、激光器驱动模块、振镜、振镜电机、振镜电机驱动模块、FPGA控制模块实现，激光器与激光器驱动模块相连接，振镜电机驱动连接振镜，振镜电机驱动模块与振镜电机相连接；FPGA控制模块分别与激光器驱动模块相连接。采用FPGA控制模块完全同步地控制激光器和振镜工作，通过预设的LUT表，将激光器的亮度与振镜的最小转角一一对应，在相机一帧图像的曝光时间内，精准的结构光编码条纹光栅图案。本发明解决DLP光机成本高的技术问题。

Description

基于振镜的结构光编码条纹光栅图案生成方法
技术领域
本发明属于结构光投影法技术领域，具体涉及一种基于振镜的结构光编码条纹光栅图案生成方法。
背景技术
随着工业自动化程度的提高，越来越多的机器视觉设备被用于工业生产、测试场合。因为技术的不断创新，生产工艺复杂程度日益提升，传统的2D视觉产品已经很难满足全部的测试需求。而能够获取深度信息的3D视觉产品，作为2D视觉的补充和替代，已经逐渐在工业自动化领域起着不可或缺的作用。
目前，3D的深度相机都是基于光学三维成像的原理来实现的，根据其实现原理大致分为主动式3D成像和被动式3D成像两种，两类最显著的区别就在于是否使用光学照明设备。
主动式3D成像：利用图像传感器获取空间物体上被透射的光学图案，来分析和计算出空间物体上的各点的深度信息。此类成像的方法有结构光法、TOF(飞行时间)法等。使用主动式3D成像的主要优点为其获得的空间深度信息相对稳定、可靠，不受物体自身的纹理影响，受外界的环境光干扰较小。
被动式3D成像：利用多个相机获取空间物体不同视角的二维图片，依据各个相机之间的位置关系来解算空间物体的深度信息。相比主动式3D成像，被动式方案实现成本较低且简单，但精度较差且非常容易受环境光干扰。
主动式结构光3D成像实现方法有很多种，常见的有随机斑点法，线激光扫描法，结构光投影法等。
其中随机散斑的方法其精度与其单位视场内斑点数量成正比，高精度检测实现时无论成本还是采集图像上都比较困难。
线激光扫描法基于三角测量的原理，根据检测视野的不同其精度也各不相同，相对而言，目前同样检测视野下，线激光扫描法检测出的精度要比其他的高，但采用该方法检测时，扫描设备与被测物体一定要保持相对运动。
结构光投影法是通过透射一组结构光条纹图片至被检测物体上，通过捕捉被检测物体表面轮廓它可以一次性呈现面的3D信息，且与被检测物体不需要有相对位移，但其精度上要逊色于线激光的成像方式。
被动式3D成像实现方式主要根据多相机视差的方式实现，依据相机之间的的位置和视角来实现空间三维重建。此方法的优点是成本较低，但缺点也明显，易受环境光的干扰。被动式3D成像实现方式主要根据多相机视差的方式实现，依据相机之间的的位置和视角来实现空间三维重建。此方法的优点是成本较低，但缺点也明显，易受环境光的干扰。
DLP是“Digital Light Processing”的缩写，即为数字光处理：先把影像信号经过数字处理，然后再把光投影出来。它是基于TI(美国德州仪器)公司开发的数字微镜元件——DMD(Digital Micromirror Device)来完成可视数字信息显示的技术。说得具体点，就是DLP投影技术应用了数字微镜晶片(DMD)来作为主要关键处理元件以实现数字光学处理过程。DLP光机成本高。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种基于振镜的正弦编码条纹光栅图案生成方法，用以解现有DLP光机成本高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案，一种基于振镜的正弦编码条纹光栅图案生成方法，其特征是，所述生成方法利用激光器、激光器驱动模块、振镜、振镜电机、振镜电机驱动模块、FPGA控制模块实现，激光器与激光器驱动模块相连接，振镜电机驱动连接振镜，振镜电机驱动模块与振镜电机相连接；FPGA控制模块分别与激光器驱动模块相连接；
所述生成方法包括以下步骤：
(1)设定预投射的正弦编码条纹光栅图案相关参数：条纹栅格数为N，图案分辨率为p，条纹初始相位为B；
根据振镜工作距离l，正弦编码的条纹光栅图案长度d，计算出振镜的工作角度θ
Figure GDA0003755980850000021
根据振镜电机的最大工作角度θ、振镜电机最小步进角
Figure GDA0003755980850000022
计算出正弦编码条纹光栅图案下振镜电机的工作步数s1：
Figure GDA0003755980850000023
(2)结合分辨率p，计算出最小分辨率下电机的工作步数s2为
Figure GDA0003755980850000024
根据一个条纹周期内的最小分辨率的线条数量
Figure GDA0003755980850000025
计算出一个条纹周期内振镜电机的工作步数s3为
Figure GDA0003755980850000031
(3)以步骤(2)中计算出的单周期内振镜电机的工作步数s3作为变化量，带入激光光强量化正弦函数公式
y＝sin(x+B)
Figure GDA0003755980850000032
Figure GDA0003755980850000033
式中：y为单周期内不同相位下对应的激光光强，y∈[-1，1]；
对y值做调整即进行相移操作，将y值加1后，使y值在0-2之间变化；
Figure GDA0003755980850000034
(4)将激光器的光强量化，使激光器的激光强弱能够在量化范围内呈线性变化，具体为：将步骤(3)中的y∈[0，2]量化为光强亮度且取值0-255，255代表激光器打开到最亮，0代表关闭激光器，将振镜电机的工作角度θ量化为0-65535，得到振镜工作步进角
Figure GDA0003755980850000035
激光器的光强y的线性关系，具体为：
投射n条正弦结构光，投射的每条正弦结构光需要振镜步进65535/n步，即正弦结构光的周期为65535/n，拟合出值域为0-255、周期为65535/n的正弦曲线；
由此建立激光光强y与振镜工作步进角
Figure GDA0003755980850000036
的LUT表；
(5)根据步骤(4)中得到的关联光强y与振镜工作步进角
Figure GDA0003755980850000037
的LUT表，利用FPGA控制模块，在相机一帧图像的曝光时间内，同步控制激光和振镜工作，FPGA控制模块根据控制电流的大小线性控制激光器的亮暗，投射出正弦编码的条纹光栅图。
采用上述技术方案，具有以下有益效果：
第一，利用激光器和高速振镜电机，采用FPGA控制模块的高实时性，完全同步地控制激光器和振镜工作，通过预设的LUT表，将激光器的亮度与振镜的最小转角一一对应，通过主控的FPGA模块控制激光驱动板，使得FPGA可以根据控制电流的大小线性控制激光器的亮暗，在相机一帧图像的曝光时间内，精准的透射出正弦编码条纹光栅图案，实现对DLP光机的替代。
第二，本发明使用振镜电机可以选择不同材质的反光材料作为反光镜片，不受激光波段的限制，且其反光面尺寸较大，在对激光器的选择上和安装的复杂程度上有很好的容忍度。优选的，所述激光器为使用鲍威尔棱镜的一字激光器。本发明直接使用的一字激光器，可以很好的控制其准直性和均匀性，相比MEMS振镜使用的激光器，其棱镜不易受污染、可选择的功率范围大。
本发明的第二个目的是提供一种基于振镜的格雷码编码条纹光栅图案生成方法，用以解决的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案，一种基于振镜的格雷码编码条纹光栅图案生成方法，其特征是，所述生成方法利用激光器、激光器驱动模块、振镜、振镜电机、振镜电机驱动模块、FPGA控制模块实现，激光器与激光器驱动模块相连接，振镜电机驱动连接振镜，振镜电机驱动模块与振镜电机相连接；FPGA控制模块分别与激光器驱动模块相连接；
所述生成方法包括以下步骤：
(1)设定预投射的格雷码编码条纹光栅图案相关参数：格雷码级数为N，图案分辨率为p；根据振镜工作距离l，投射图案长度为d，计算出振镜的工作角度θ
Figure GDA0003755980850000041
根据振镜电机的最大工作角度θ、振镜电机最小步进角
Figure GDA0003755980850000042
计算格雷码编码条纹光栅图案下振镜电机的工作步数
Figure GDA0003755980850000043
(2)结合格雷码编码条纹光栅图案分辨率p，计算出最小分辨率下振镜电机的工作步数为
Figure GDA0003755980850000044
根据格雷码图案中单个白色或黑色条纹内的最小分辨率的线条数量
Figure GDA0003755980850000045
计算出单个白色或黑色条纹内振镜电机的工作步数为
Figure GDA0003755980850000046
(3)格雷码图案只包含纯黑和纯白两种条纹，纯黑代表激光器关闭，纯白代表激光器最亮，即激光器只工作在0和1两种状态；
将激光器的0和1两种状态量化为对应的光强为0和255，将振镜电机的工作角度θ量化为0-65535，得到振镜工作步进角
Figure GDA0003755980850000051
-激光光强y的线性关系，由此建立激光光强与振镜工作步进角
Figure GDA0003755980850000052
的LUT表；
(4)根据步骤(3)中得到的关联光强与振镜工作角度的LUT表，使用FPGA控制模块同步控制激光和振镜工作，FPGA控制模块根据控制电流的大小线性控制激光器的亮暗，即可投射出格雷码编码条纹光栅图案。
采用上述技术方案，具有以下有益效果：
第一,利用激光器和高速振镜电机，采用FPGA控制模块的高实时性，完全同步地控制激光器和振镜工作，通过预设的LUT表，将激光器的亮度与振镜的最小转角一一对应，通过主控的FPGA模块控制激光驱动板，使得FPGA可以根据控制电流的大小线性控制激光器的亮暗，在相机一帧图像的曝光时间内，精准的透射出格雷码编码条纹光栅图案。
第二，本发明中使用振镜电机在选择反光镜片时，不影响部件的其他器件，而MEMS振镜的固定镀膜的镜面，在更换激光光源时必须更换整个光机系统。选择不同材质的反光材料作为反光镜片，不受激光波段的限制，且其反光面尺寸较大，在对激光器的选择上和安装的复杂程度上有很好的容忍度。
优选的，所述激光器为使用鲍威尔棱镜的一字激光器。本发明使用常见的一体式的一字激光器，其体积大散热性好，能够提供较大的激光功率的同时可以很好的控制其准直性和均匀性，相比MEMS振镜使用的微型激光器，激光器，其结构相对可靠，棱镜不易受污染、可选择的功率范围大。
附图说明
图1是实施例1振镜电机与正弦编码的条纹光栅图的示意图；
图2是实施例1振镜步进角-激光光强的关系图；图2中，横坐标为条纹光栅图案周期量化值，纵坐标为激光强度量化值；
图3是实施例2振镜电机与正弦编码的条纹光栅图的示意图；
图4是实施例2振镜步进角-激光光强的关系图；图2中，横坐标为条纹光栅图案周期量化值，纵坐标为激光强度量化值；
图5是本发明的流程图。
具体实施方式
实施例1
一种基于振镜的正弦编码条纹光栅图案生成方法，利用激光器、激光器驱动模块、振镜、振镜电机、振镜电机驱动模块、FPGA控制模块实现，激光器与激光器驱动模块相连接，振镜电机驱动连接振镜，振镜电机驱动模块与振镜电机相连接；FPGA控制模块分别与激光器驱动模块相连接；所述生成方法包括以下步骤：
1、如图1所示，生成扫描图案类型为正弦编码的条纹光栅图，条纹栅格数为N，图案分辨率为p，条纹初始相位为B；
2、已知振镜工作距离为l，投射的正弦编码条纹光栅图案长度为d，可计算出振镜的工作角度
Figure GDA0003755980850000061
由振镜电机的最大工作角度θ、振镜电机最小步进角
Figure GDA0003755980850000062
计算出正弦编码条纹光栅图案下振镜电机的工作步数
Figure GDA0003755980850000063
3、结合分辨率p,计算出最小分辨率下电机的运动步数为
Figure GDA0003755980850000064
根据一个条纹周期内的最小分辨率的线条数量
Figure GDA0003755980850000065
由此计算出一个条纹周期内振镜电机的工作步进数为
Figure GDA0003755980850000066
4、以步骤3中计算出的单周期内振镜电机的工作步数s3作为变化量带入光强量化的正弦函数公式y＝sin(x+B)，得到的取值范围为-1～1的y值，此时的y值即为单周期内不同相位下对应的激光光强，因为负数的光强无实际的物理意义，因此我们需要对y值做调整，将y值加1后，使其在0-2之间变化。
y＝sin(x+B)
Figure GDA0003755980850000067
Figure GDA0003755980850000068
式中：y为单周期内不同相位下对应的激光光强，y∈[-1，1]；
对y值做调整即进行相移操作，将y值加1后，使y值在0-2之间变化；
Figure GDA0003755980850000071
5、通过线性约束将激光器的光强量化为在0-255由关闭到最亮的线性均匀变，将步骤4中的0-2量化为光强亮度控制的取值0-255，255代表激光器打开到最亮，0代表关闭激光器；将振镜电机的工作角度θ量化为0-65535，得到振镜工作步进角
Figure GDA0003755980850000072
-激光器的光强y的线性关系，具体为：
投射n条正弦结构光，投射的每条正弦结构光需要振镜步进65535/n步，即正弦结构光的周期为65535/n，拟合出值域为0-255、周期为65535/n的正弦曲线，可得到如图2所示的步进-光强的关系图，由此建立激光光强y与振镜工作步进角
Figure GDA0003755980850000073
的LUT表；
6、使用具有高实时性的控制模块(FPGA)根据步骤5中得到的关联光强与振镜工作角度的LUT表，同步控制激光和振镜工作，即可投射出正弦编码的条纹光栅图。
7、如正弦光栅需要相移，步骤6结束后，执行步骤4，改变步骤4中确定的初始相位。
8、投射不同级数的正弦光栅时，步骤7结束后，执行步骤4-7。
实施例2
一种基于振镜的格雷码编码条纹光栅图案生成方法，利用激光器、激光器驱动模块、振镜、振镜电机、振镜电机驱动模块、FPGA控制模块实现，激光器与激光器驱动模块相连接，振镜电机驱动连接振镜，振镜电机驱动模块与振镜电机相连接；FPGA控制模块分别与激光器驱动模块相连接；生成方法具体包括以下步骤：
1、如图3所示，生成扫描图案类型为格雷码编码的条纹光栅图，格雷码级数为N，图案分辨率为p；
2、已知振镜工作距离为l，投射的格雷码编码的条纹光栅图长度为d，可计算出振镜的工作角度
Figure GDA0003755980850000074
由振镜电机的最大工作角度θ、折镜电机最小步进角
Figure GDA0003755980850000075
计算出格雷码编码条纹光栅图下振镜电机的工作步数
Figure GDA0003755980850000076
3、结合分辨率p,计算出最小分辨率下电机的运动步数为
Figure GDA0003755980850000081
根据格雷码图案中单个白色或黑色条纹内的最小分辨率的线条数量
Figure GDA0003755980850000082
由此计算出单个白色或黑色条纹内振镜电机的工作步进数为
Figure GDA0003755980850000083
4、相比正弦编码的条纹亮度呈正弦规律变化的不同，格雷码图案只包含纯黑(激光器关闭)和纯白(激光器最亮)两种条纹，即激光器只工作在0和1两种状态，只需将激光器的“打开”和“关闭”与振镜的旋转步长s3关联；
采集激光器从光强最弱到最亮之间的电流大小，利用一元方程y＝ax+b，y代表光强，a,b为拟合系数，x为电流大小；
来拟合出光强随电流的变化关系，并将电流值量化为0-255；
通过线性约束将激光器的光强量化为在0-255由关闭到最亮的线性均匀变化，将激光器的0和1两种状态量化为对应的光强为0和255，255代表激光器打开到最亮，0代表关闭激光器，将振镜电机的工作角度θ量化为0-65535，因此根据上述步骤我们可以得到如图4所示的步进-光强的关系图，并由此建立光强与振镜电机步进LUT表。
线性约束过程具体为:激光器在频率不变的情况下，光强与电流值成正比，因此调节激光器至最大亮度时记录下此时的驱动电流大小，调节光强减弱，至刚好灭掉时，记录下此时的驱动电流大小，带入上式的一元方程，即可解算出方程。
5、使用具有高实时性的控制模块(FPGA)根据步骤4中得到的关联光强与振镜工作角度的LUT表，同步控制激光和振镜工作，即可投射出格雷码编码的条纹光栅图。
6、投射不同级数的格雷码时，步骤5结束后，执行步骤3-5。

Claims (4)

1.一种基于振镜的正弦编码条纹光栅图案生成方法，其特征是，所述生成方法利用激光器、激光器驱动模块、振镜、振镜电机、振镜电机驱动模块、FPGA控制模块实现，激光器与激光器驱动模块相连接，振镜电机驱动连接振镜，振镜电机驱动模块与振镜电机相连接；FPGA控制模块分别与激光器驱动模块相连接；
所述生成方法包括以下步骤：
(1)设定预投射的正弦编码条纹光栅图案相关参数：条纹栅格数为N，图案分辨率为p，条纹初始相位为B；
根据振镜工作距离l，正弦编码的条纹光栅图案长度d，计算出振镜的工作角度θ
Figure FDA0003755980840000011
根据振镜电机的最大工作角度θ、振镜电机最小步进角
Figure FDA0003755980840000018
计算出正弦编码条纹光栅图案下振镜电机的工作步数s1：
Figure FDA0003755980840000012
(2)结合分辨率p，计算出最小分辨率下电机的工作步数s2为
Figure FDA0003755980840000013
根据一个条纹周期内的最小分辨率的线条数量
Figure FDA0003755980840000014
计算出一个条纹周期内振镜电机的工作步数s3为
Figure FDA0003755980840000015
(3)以步骤(2)中计算出的单周期内振镜电机的工作步数s3作为变化量，带入激光光强量化正弦函数公式
y＝sin(x+B)
Figure FDA0003755980840000016
Figure FDA0003755980840000017
式中：y为单周期内不同相位下对应的激光光强，y∈[-1，1]；
对y值做调整即进行相移操作，将y值加1后，使y值在0-2之间变化；
Figure FDA0003755980840000021
(4)将激光器的光强量化，使激光器的激光强弱能够在量化范围内呈线性变化，具体为：将步骤(3)中的y∈[0，2]量化为光强亮度且取值0-255，255代表激光器打开到最亮，0代表关闭激光器，将振镜电机的工作角度θ量化为0-65535，得到振镜工作步进角
Figure FDA0003755980840000027
-激光器的光强y的线性关系，具体为：
投射n条正弦结构光，投射的每条正弦结构光需要振镜步进65535/n步，即正弦结构光的周期为65535/n，拟合出值域为0-255、周期为65535/n的正弦曲线；
由此建立激光光强y与振镜工作步进角
Figure FDA0003755980840000028
的LUT表；
(5)根据步骤(4)中得到的关联光强y与振镜工作步进角
Figure FDA0003755980840000029
的LUT表，利用FPGA控制模块，在相机一帧图像的曝光时间内，同步控制激光和振镜工作，FPGA控制模块根据控制电流的大小线性控制激光器的亮暗，投射出正弦编码的条纹光栅图。
2.根据权利要求1所述的基于振镜的正弦编码条纹光栅图案生成方法，其特征是，所述激光器为使用鲍威尔棱镜的一字激光器。
3.一种基于振镜的格雷码编码条纹光栅图案生成方法，其特征是，所述生成方法利用激光器、激光器驱动模块、振镜、振镜电机、振镜电机驱动模块、FPGA控制模块实现，激光器与激光器驱动模块相连接，振镜电机驱动连接振镜，振镜电机驱动模块与振镜电机相连接；FPGA控制模块分别与激光器驱动模块相连接；
所述生成方法包括以下步骤：
(1)设定预投射的格雷码编码条纹光栅图案相关参数：格雷码级数为N，图案分辨率为p；根据振镜工作距离l，投射图案长度为d，计算出振镜的工作角度θ
Figure FDA0003755980840000022
根据振镜电机的最大工作角度θ、振镜电机最小步进角
Figure FDA0003755980840000023
计算格雷码编码条纹光栅图案下振镜电机的工作步数
Figure FDA0003755980840000024
(2)结合格雷码编码条纹光栅图案分辨率p，计算出最小分辨率下振镜电机的工作步数为
Figure FDA0003755980840000025
根据格雷码图案中单个白色或黑色条纹内的最小分辨率的线条数量
Figure FDA0003755980840000026
计算出单个白色或黑色条纹内振镜电机的工作步数为
Figure FDA0003755980840000031
(3)格雷码图案只包含纯黑和纯白两种条纹，纯黑代表激光器关闭，纯白代表激光器最亮，即激光器只工作在0和1两种状态；
将激光器的0和1两种状态量化为对应的光强为0和255，将振镜电机的工作角度θ量化为0-65535，得到振镜工作步进角
Figure FDA0003755980840000032
-激光光强y的线性关系，由此建立激光光强与振镜工作步进角
Figure FDA0003755980840000033
的LUT表；
(4)根据步骤(3)中得到的关联光强与振镜工作角度的LUT表，使用FPGA控制模块同步控制激光和振镜工作，FPGA控制模块根据控制电流的大小线性控制激光器的亮暗，即可投射出格雷码编码条纹光栅图案。
4.根据权利要求3所述的基于振镜的格雷码编码条纹光栅图案生成方法，其特征是，所述激光器为使用鲍威尔棱镜的一字激光器。
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