CN115421349A - 非数字光机结构光投射模组、采集装置及三维测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学检测三维成像领域，特别是一种非数字光机结构光投射模组、采集装置及三维测量系统。本发明提出了一种全新的非数字光机结构光投射模组，可取代传统光机条纹结构光测量的昂贵且复杂的投射系统。本发明通过由多组单通道投射装置组成的正弦结构光投射模组，并通过电子开关依次选通对应的投射通道，实现投射多组具有固定相差的正弦光栅为测量结构光。本发明的结构简单，具有稳定可靠、免装调以及维护性好等优点，同时采用光栅进行多通道投射取代传统的高造价的光学投影机投射装置，在控制方面大大降低了技术难度，也大幅缩减了成本。

Description

非数字光机结构光投射模组、采集装置及三维测量系统
技术领域
本发明涉及光学检测三维成像领域，特别是一种非数字光机结构光投射模组、采集装置及三维测量系统。
背景技术
在现有的三维人脸采集与识别的系统中，三维人脸识别由于其无接触、高识别率和高防伪性能的优点，在公共安全、金融、交通及其它民用领域具有非常广阔的应用前景，是建设智能化公共服务平台、智慧城市和平安城市的重要核心技术之一。众所周知，三维人脸识别快速发展的前提是要有高集成度、高速、高精度的三维人脸采集设备。但目前对于高速高精度方面的技术和应用还不完善，实用性还不强。
现有的高精度三维重建方法主要是基于结构光三维测量轮廓术，主要是基于主动结构光和三角测量的原理将脸部作为普通的测量对象，其中，被认为最有发展优势及市场前景的是条纹投影轮廓术（FPP），可用于测量动态物体。FPP中最常用的有两种方案，一种是傅立叶变换轮廓测量（FTP），它是一种代表性的单帧方案，只需要一帧条纹即可完成三维重建，非常适合于高速3D测量。然而，由于带通滤波的局限性和参数选择的谨慎性，FTP方法在对象形状随时间变化的复杂动态场景中实现自动处理时具有较大的挑战性。另一种是相移轮廓术（PSP），与FTP相比，PSP以其更高的精度，更大的分辨率，更低的复杂度以及对环境光的不敏感性而闻名。因此，PSP更适合用于高速高精度三维人脸数据的采集。但在此基础上大多应用的技术方案为光机投影，即DLP投影部件或者是lcos投影器件等，其都有着系统复杂，造价成本高等因素。
所以如今需要一种结构更加简单，成本更低的非数字光机结构光投射模组、采集装置及三维测量系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的系统复杂，造价成本高的问题，提供一种非数字光机结构光投射模组、采集装置及三维测量系统。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种非数字光机结构光投射模组，所述投射模组（1）包括电子开关以及n个并排安装的单通道投射装置，n≥2；n决定着相移步数及测量需要采集的张数，原则上测量精度随n的变大而提高。
所述电子开关与所述单通道投射装置电连接，用于根据接收的控制指令在线切换所述单通道投射装置的工作状态；
所述单通道投射装置包括光栅片、投射镜头以及照明光源；所述照明光源用于为所述光栅片提供照明；所述光栅片设置在所述照明光源投影方向上；所述投射镜头设置在所述光栅片上，用于投射正弦结构光。本发明提出了一种全新的非数字光机结构光投射模组，可取代传统数字编码光机条纹结构光测量的昂贵且复杂的投射系统。本发明通过由多组单通道投射装置组成的正弦结构光投射模组，并通过电子开关依次选通对应的投射通道，实现投射多组具有固定相差的正弦光栅为测量结构光。本发明的结构简单，具有稳定可靠、免装调以及维护性好等优点，同时采用光栅进行多通道投射取代传统的高造价的光学投影机投射装置，在控制方面大大降低了技术难度，也大幅缩减了成本。
作为本发明的优选方案，n个所述单通道投射装置的所述光栅片为一体化正弦结构光栅，且所述光栅片（4）中n组条纹间的相位差满足2Kπ/n，其中，K取自然整数，所述光栅片（4）的宽度与所述投射镜头（5）相匹配。本发明中的物理光栅空间投射系统是投射一组有固定相移的正弦结构光，而为保证该组投射条纹组间的精确位置及相移且保证条纹平行无倾斜故设计成组间相互平行，且调整成通过投射镜头后预定位移相移的这种一体化图案设计，区别于同类结构光投射产品中的随机散斑投射，者振镜扫描，DOE或者激光扫描测量等的通常结构光形式，也不同于现在科研领域里广泛应用数字光机DLP进行的条纹结构光的投射方式及条纹测量的方法。
作为本发明的优选方案，所述投射镜头的投射区域为圆形，且所述圆形与所述光栅片内切。
作为本发明的优选方案，n个所述投射镜头的光轴平行且相邻所述投射镜头的间距相等。
作为本发明的优选方案，所述照明光源采用柯勒照明。本发明的照明系统通过采用柯勒照明，从而克服了临界照明的缺点，提高了投射条纹的对比度，进而也提高了采集图像的精度。
作为本发明的优选方案，所述照明光源（6）为近红外LED光源。本发明的照明系统通过应用近红外光源，可进行无感采集，不刺激眼睛同时也增加了友好性。
一种非数字光机结构光采集装置，包括正弦结构光投射模组、双目采集模组以及控制器，所述双目采集模组包括两个IR采集相机以及纹理RGB相机；两个所述IR采集相机分别设置在所述装置的两侧，所述纹理RGB相机以及所述正弦结构光投射模组均设置于两个所述IR采集相机之间；
所述控制器分别与所述双目采集模组以及所述正弦结构光投射模组电连接；所述控制器用于在线控制所述正弦结构光投射模组依次选通对应的投射通道，同时控制所述双目采集模组进行图样的采集；
其中，所述正弦结构光投射模组为以上任一所述的一种非数字光机结构光投射模组。
一种非数字光机结构光三维测量系统，所述系统包括以上所述的一种非数字光机结构光采集装置以及处理器；
所述处理器用于根据所述采集装置获取的结构光图样进行三维人脸重建，生成空间三维实体。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明提出了一种全新的非数字光机结构光投射模组，可取代传统光机条纹结构光测量的昂贵且复杂的投射系统。本发明通过由多组单通道投射装置组成的正弦结构光投射模组，并通过电子开关依次选通对应的投射通道，实现投射多组具有固定相差的正弦光栅为测量结构光。本发明的结构简单，具有稳定可靠、免装调以及维护性好等优点，同时采用光栅进行多通道投射取代传统的高造价的光学投影机投射装置，在控制方面大大降低了技术难度，也大幅缩减了成本。
2.本发明中的物理光栅空间投射系统是投射一组有固定相移的正弦结构光，而为保证该组投射条纹组间的精确位置及相移且保证条纹平行无倾斜故设计成组间相互平行，且调整成通过投射镜头后预定位移相移的这种一体化图案设计，区别于同类结构光投射产品中的随机散斑投射，者振镜扫描，DOE或者激光扫描测量等的通常结构光形式，也不同于现在科研领域里广泛应用数字光机DLP进行的条纹结构光的投射方式及条纹测量的方法。
3.本发明的照明系统通过采用柯勒照明，从而克服了临界照明的缺点，提高了投射条纹的对比度，进而也提高了采集图像的精度。
4.本发明的照明系统通过应用近红外光源，可进行无感采集，不刺激眼睛同时也增加了友好性。
附图说明
图1为本发明实施例1所述的一种非数字光机结构光投射模组的结构示意图；
图2为本发明实施例1所述的一种非数字光机结构光投射模组中单通道投射装置的结构示意图；
图3为本发明实施例1所述的一种非数字光机结构光投射模组中照明光源的原理示意图；
图4为本发明实施例1所述的一种非数字光机结构光投射模组中双侧相机的拍摄区域模拟图；
图5为本发明实施例3所述的一种非数字光机结构光采集装置的结构示意图；
图6为本发明实施例3所述的一种非数字光机结构光采集装置在第一种架构模式下n=3时的结构示意图；
图7为本发明实施例3所述的一种非数字光机结构光采集装置在第一种架构模式下的光刻图案设计示意图；
图8为本发明实施例3所述的一种非数字光机结构光采集装置在第一种架构模式下n=4时的结构示意图；
图9为本发明实施例3所述的一种非数字光机结构光采集装置在第二种架构模式下n=3时的结构示意图；
图10为本发明实施例3所述的一种非数字光机结构光采集装置在第二种架构模式下的光刻图案设计示意图；
图11为本发明实施例4所述的一种非数字光机结构光三维测量系统的工作流程示意图；
图12为本发明实施例5所述的一种非数字光机结构光三维测量系统的工作流程中步骤S1的效果示意图；
图13为本发明实施例5所述的一种非数字光机结构光三维测量系统的工作流程中步骤S2采集的左视图；
图14为本发明实施例5所述的一种非数字光机结构光三维测量系统的工作流程中步骤S2采集的右视图；
图15为本发明实施例5所述的一种非数字光机结构光三维测量系统的工作流程中步骤S3的效果示意图；
图16为本发明实施例5所述的一种非数字光机结构光三维测量系统的工作流程中步骤S4的效果示意图；
图17为本发明实施例5所述的一种非数字光机结构光三维测量系统的工作流程中对步骤S4输出结果进行三维重建和平滑滤波后的效果示意图；
图18为本发明实施例5所述的一种非数字光机结构光三维测量系统在450mm距离时的测试建模效果示意图；
图19为本发明实施例5所述的一种非数字光机结构光三维测量系统在500mm距离时的测试建模效果示意图；
图20为本发明实施例5所述的一种非数字光机结构光三维测量系统在600mm距离时的测试建模效果示意图；
图21为本发明实施例6所述的一种非数字光机结构光三维测量系统对真实人脸采集获取的采样图样示意图；
图22为本发明实施例6所述的一种非数字光机结构光三维测量系统对真实人脸完成的三维人脸重建建模效果示意图；
图中标记：1-正弦结构光投射模组，2-IR采集相机，3-纹理RGB相机，4-光栅片，5-投射镜头，6-照明光源。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示，一种非数字光机结构光投射模组。所述正弦结构光投射模组1包括电子开关和n个并排安装的单通道投射装置，n≥2。
所述电子开关与所述单通道投射装置电连接，用于根据接收的控制指令在线切换所述单通道投射装置的工作状态并跟随采集系统同步控制，严格保证时序上达到最佳系统匹配。
如图2所示，所述单通道投射装置包括光栅片4、投射镜头5以及照明光源6。所述照明光源6用于为所述光栅片4提供照明；所述光栅片4设置在所述照明光源6投影方向上（所述单通道投射装置中对应位置设有光栅片插槽）；所述投射镜头5设置在所述光栅片4上，用于投射正弦结构光。n个所述投射镜头5的光轴平行且相邻所述投射镜头5的间距相等。所述投射镜头5的投射区域为圆形，且所述圆形与所述光栅片4内切。
其中，如图3所示，所述照明光源采用如专利CN202110534572.8一种光栅平动结构光三维测量系统中所述的由准直透镜、场镜以及光源组成的柯勒照明系统。所述照明光源还可以通过采用近红外LED光源的方式，达成不刺激眼睛以及增加人眼友好性的效果。
其中，待采集人脸需在所示系统的采集区域中心，包括以下原因：
1）由于多个单通道投射装置的光学中心的位置不重合，会带来一定的误差，本实施例根据所选镜头的视角，进行了仿真实验（此时n=3）：
如图4所示，实例为模拟投射装置的光斑范围处双侧相机的拍摄区域，其中，纵向间距D为光轴中心距，只影响纵向重合度，在纵向条纹状态下，对相移随距离变化不产生偏差。即投射位置不重合带来的横向距离，投射正弦结构光的中心在处有一定的侧向距离，且保证沿条纹方向上的相位完全平行且，投射器条纹之间纵方向上完全预定相位重合。故只要保证投射器的光轴平行且等距，就能严格保证投射区域的相对位置完全固定且不随距离远近有差异变化，即所投射的三帧条纹间距与周期随距离同步变化。且有绝大部分的固定重合区域，经实验重合区域足够多不影响相移与测量。
2）由于多个单通道投射装置分别是多个不同镜头，考虑到镜头的畸变差异带来的误差，需要进行以下操作：
1.在验证与校准中进行预处理；
2.由于相机采集的区域远大于目标区域，且畸变大多是在图像边缘时最大，故我们选取拍摄图像（人脸）置于视场中心时可以保证最大程度降低畸变的影响，且根据一体化设计的光栅投射的三个区域在光刻时以预算了侧向位置及恒定相差等，会极大缩小以上误差造成的影响。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，n个所述单通道投射装置的所述光栅片4为一体化正弦结构光栅，且所述光栅片（4）中n组条纹间的相位差满足2Kπ/n，其中，K取自然整数，所述光栅片（4）的宽度与所述投射镜头（5）相匹配，主要设计其在一个整体基板上的几组条纹间的位移相移量，才能保证投射出的测量结构光具有预定的相位差调制。
实施例3
如图5所示，一种非数字光机结构光采集装置，包括如实施例1或实施例2所述的正弦结构光投射模组1（本实施例中n=3）、双目采集模组以及控制器。
所述双目采集模组包括两个IR采集相机2以及纹理RGB相机3；两个所述IR采集相机2分别设置在所述装置的两侧，所述纹理RGB相机3以及所述正弦结构光投射模组1均设置于两个所述IR采集相机2之间。所述纹理RGB相机3用于表面纹理粘贴，以复原真实。
所述控制器分别与所述双目采集模组以及所述正弦结构光投射模组1电连接。所述控制器用于在线控制所述正弦结构光投射模组1依次选通对应的投射通道，同时控制所述双目采集模组进行图样的采集。
其中，所述采集装置包括两种架构模式。
第一种架构模式：
如图6所示，3个所述单通道投射装置的连线与双目采集模组垂直，此时，其一体化光刻正弦条纹的光刻图案设计如图7所示。
其中，当n=4时，此时所述采集装置的结构如图8所示。
第二种架构模式：
如图9所示，n个所述单通道投射装置的连线与双目采集模组平行，此时，其一体化光刻正弦条纹的光刻图案设计如图10所示。三个区域图案中心皆为圆的内接正方形，即条纹区域中心与范围圆中心重合，并在范围圆四等分处进行标志位设定。以定位三个区域光刻条纹的相对相差固定。
实施例4
一种非数字光机结构光三维测量系统，所述系统包括实施例3所述的一种非数字光机结构光采集装置以及处理器。
所述处理器用于根据所述采集装置获取的结构光图样进行三维人脸重建，生成空间三维实体。具体的，所述处理器能够是设置在所述采集装置上的一个处理模块，也可以为与所述采集装置通信连接的外接设备。
如图11所示，所述测量系统包括以下工作流程：
S1：初始化所述系统，并将待采集人脸置于所述系统的投射中心；
S2：控制n个所述单通道投射装置的所述照明光源依次进行曝光，所述双目采集模组同步进行图像采集，获取n组结构光图样。
S3：对所述n组采集图样进行预处理以及相位解算，获取所述目标物体的相位信息；所述预处理包括边缘分析以及图像傅里叶变换；
S4：根据所述相位信息生成点云，并根据所述纹理数据拼接形成空间三维实体。
实施例5
本实施例为实施例4所述测量系统的实际应用例，此时n=3。包括以下工作流程：
S1：如图12所示，初始化所述系统，并将待采集人脸置于所述系统的投射中心；
S2：控制3个所述单通道投射装置的所述照明光源依次进行曝光，所述双目采集模组同步进行图像采集，获取3组结构光图样。
即每投射一帧，左右IR采集相机交替进行抓拍，形成左视图L0,L1,L2（如图13所示）；右视图R0,R1,R2（如图14所示）的多张具有确定相移的空间调制图样。
S3：如图15所示，对所述3组采集图样进行预处理以及相位解算，获取所述目标物体的相位信息。
S4：如图16所示，根据所述相位信息生成点云，并根据所述纹理数据拼接形成空间三维实体。
最后，还可以对其进行三维重建与平滑滤波，得到如图17所示结果。
同时，本实施例还分别在不同距离进行测试，实测效果如图18-图20所示。经过多次测试后，本发明在三帧采集时，当采集距离在45cm-60cm，采集时间控制在15ms以内，可以克服行进中目标运动状态下的采集测量与识别。且经多次测量三维精度均可达到0.10~0.11MM，优于同类型测量产品。同时，本发明的设计无运动部件，只需要电子光源驱动与切换方式，这就保证了其具有高可靠性和优良的测量稳定性。
实施例6
本实施例为实施例4所述测量系统对真实人脸进行三维人脸重建的实验例，本实施例中n=3。
其中，左右IR采集相机交替进行抓拍获取的3组结构光图样如图21所示，根据结构光图样进行三维人脸重建的建模效果示意图如图22所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非数字光机结构光投射模组，其特征在于，所述投射模组（1）包括电子开关以及n个并排安装的单通道投射装置，n≥2；
所述电子开关与所述单通道投射装置电连接，用于根据接收的控制指令在线切换所述单通道投射装置的工作状态；
所述单通道投射装置包括光栅片（4）、投射镜头（5）以及照明光源（6）；所述照明光源（6）用于为所述光栅片（4）提供照明；所述光栅片（4）设置在所述照明光源（6）投影方向上；所述投射镜头（5）设置在所述光栅片（4）上，用于投射正弦结构光。
2.根据权利要求1所述的一种非数字光机结构光投射模组，其特征在于，n个所述单通道投射装置的所述光栅片（4）为一体化正弦结构光栅，且所述光栅片（4）中n组条纹间的相位差满足2Kπ/n，其中，K取自然整数，所述光栅片（4）的宽度与所述投射镜头（5）相匹配。
3.根据权利要求1所述的一种非数字光机结构光投射模组，其特征在于，所述投射镜头（5）的投射区域为圆形，且所述圆形与所述光栅片（4）内切。
4.根据权利要求1所述的一种非数字光机结构光投射模组，其特征在于，n个所述投射镜头（5）的光轴平行且相邻所述投射镜头（5）的间距相等。
5.根据权利要求1所述的一种非数字光机结构光投射模组，其特征在于，所述照明光源（6）为柯勒照明。
6.根据权利要求1所述的一种非数字光机结构光投射模组，其特征在于，所述照明光源（6）为近红外LED光源。
7.一种非数字光机结构光采集装置，包括正弦结构光投射模组（1）、双目采集模组以及控制器，其特征在于，所述正弦结构光投射模组（1）为权利要求1-6中任一所述的一种非数字光机结构光投射模组；
所述双目采集模组包括两个IR采集相机（2）以及纹理RGB相机（3）；两个所述IR采集相机（2）分别设置在所述装置的两侧，所述纹理RGB相机（3）以及所述正弦结构光投射模组（1）均设置于两个所述IR采集相机（2）之间；
所述控制器分别与所述双目采集模组以及所述正弦结构光投射模组（1）电连接；所述控制器用于在线控制所述正弦结构光投射模组（1）依次选通对应的投射通道，同时控制所述双目采集模组进行图样的采集。
8.一种非数字光机结构光三维测量系统，其特征在于，所述系统包括权利要求7所述的一种非数字光机结构光采集装置以及处理器；
所述处理器用于根据所述采集装置获取的结构光图样进行三维人脸重建，生成空间三维实体。
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