CN116016893A - 一种单像素三维成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单像素三维成像系统及方法，投影模块用于生成条纹投影并投射到待成像物体上；所述成像模块，用于基于投影光线，将待成像物体成像到二向色镜上；所述二向色镜，用于将成像光划分为第一波长光与第二波长光；数字微镜DMD，用于通过Hadamard阵列对第一波长光与第二波长光进行空间编码调制，并将调制后的光路传输到所述三维重建模块；所述三维重建模块，用于基于编码后的光路光强对所述待成像物体进行三维重建；本发明的有益效果为降低了处理数据的数量和难度，加快了成像速度，结合单像素成像技术的优势，使用单个单像素探测器接收信号，提高了信号接收速率，大大降低了成本，并使其适用于多个波段。
Description
技术领域
本发明涉及成像技术领域，具体而言，涉及一种单像素三维成像系统及方法。
背景技术
随着社会的进步，在工作和生活当中，人们对图像的要求越来越高，当前，二维图像已不能满足人们的需求，三维成像技术越来越受到人们的关注，并被大量的研究与实践，人们开发了多种图像三维成像技术，如：飞行时间技术、激光扫描技术、散斑投影技术、光栅投影技术、立体视觉技术等等，并在不同领域得到了广泛的应用，如：工业生产、质量控制、文物保护、生物医学领域、电子消费领域等等。其中光栅投影技术是结构光三维测量技术的代表方法，多步相移法就是光栅投影技术中一种常见的方法，通过多幅正弦光栅图案，然后通过分析正弦光栅的图案形变，进而获取三维信息。该方法空间分辨率和精确度都可以达到很高，但是需要投影的光栅图案较多，图像采集帧率速度要求较高，所处理的数据较大，成像时间较长，花费成本较大，并且只能对可见光波段成像。因为单像素成像在特殊波段低成本、高灵敏度的特点，研究单像素三维成像技术成为特殊波段三维成像的一个热点方向。尽管三维鬼成像技术在不断的发展，但目前的方法或多或少都有一定的缺陷，单像素傅里叶三维成像虽然采样率较低，成像速度较快，但是重建的精度不高，对于重建精度较高的相移条纹算法，相移步数越多得到的相位精度也会越高，但相移步数的增加又会致使成像时间成本增加，导致该技术难以应用到快速单像素三维成像。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中，通过多步相移法进行单像素三维成像时所需要的光栅图案多，数据量大，从而导致处理的时间长，花费成本高，目的在于提供一种单像素三维成像系统及方法，能够使得采集的图案大大减少，提高了采集时间，减小了成本。
本发明通过下述技术方案实现：
一种单像素三维成像系统，包括投影模块、成像模块、二向色镜、数字微镜DMD、单像素探测器以及三维重建模块；
所述投影模块用于生成条纹投影并投射到待成像物体上；
所述成像模块，用于基于投影光线，将所述待成像物体透过二向色镜成像到所述数字微镜DMD上；
所述二向色镜，用于将成像光划分为第一波长光与第二波长光；
所述数字微镜DMD，用于对所述第一波长光与所述第二波长光进行空间编码调制，并将调制后的光路传输到所述单像素探测器；
所述单像素探测器用于探测传输过来光路的光强，并将光强信号传输到所述三维重建模块；
所述三维重建模块，用于基于编码后的光路光强对所述待成像物体进行三维重建。
传统的在对光栅投影成像技术中，通常都是采用多步相移法进行成像投影，但是在采用这种方法成像投影的时候，所需要的投影图案数量图，会导致处理的数据量大，因此成像的时间长，花费的成本高；本发明提供了一种单像素三维成像系统，通过将四步相移法与差值鬼成像技术进行结合，并将一部分数据处理过程融合到了光路当中，降低了处理数据的数量和难度，加快了成像速度，结合单像素成像技术的优势，使用单个单像素探测器接收信号，提高了信号接收速率，大大降低了成本，并使其适用于多个波段。
优选地，所述数字微镜DMD是通过Hadamard阵列进行空间编码调制。
优选地，所述成像系统还包括第一反射镜与第二反射镜；所述第一反射镜用于将所述第一波长光反射呈第一角度到所述数字微镜DMD上，所述第二反射镜用于将所述第二波长光反射呈第二角度传输到所述数字微镜DMD上，所述第一角度与所述第二角度不同。
优选地，所述二向色镜的截止波长为567nm，入射角度为45°，反射光的波长范围为380nm～550nm，透射光的波长范围为584nm～800nm。
优选地，所述投影模块为投影仪、空间光调制器或掩膜板。
优选地，在所述三维重建模块中，重建后的待成像物体的高度具体表达式为：
h为重建待成像物体三维模型的高度，L为物体到所述数字微镜DMD的距离，d为所述投影模块和所述数字微镜DMD的距离，T′为投影条纹的周期，φ为相位差。
优选地，所述相位差φ具体表达式为：
I1、I2、I3、I4分别为经物体调制后的四步相移法的条纹投影，x，y分别为条纹成像到DMD平面上的像素横纵坐标。
本发明还提供了一种单像素三维成像方法，方法步骤包括：
获取待成像物体的条纹投影光；
将所述条纹投影光分割为第一波长光与第二波长光；
将所述第一波长光与所述第二波长光按照不同角度投射在数字微镜DMD上；
通过所述数字微镜DMD对调制所述第一波长光与所述第二波长光的空间编码，获得调制光；
测量所述调制光的光强，并基于该光强对所述待成像物体进行三维重建。
优选地，将所述条纹投影光分割为第一波长光与第二波长光具体子步骤为：
通过所述成像系统对所述条纹投影光进行成像，获得成像光；
通过二向色镜将所述成像光划分为第一波长光与第二波长光。
优选地，所述调制光获得子步骤为：
根据差值鬼成像方法，在所述数字微镜DMD中，设置两组互补的Hadamard散斑，并通过所述Hadamard散斑对所述第一波长光以及所述第二波长光进行空间编码，获得调制光。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明实施例提供的一种单像素三维成像系统及方法，通过将四步相移法与差值鬼成像技术进行结合，并将一部分数据处理过程融合到了光路当中，降低了处理数据的数量和难度，加快了成像速度，结合单像素成像技术的优势，使用单个单像素探测器接收信号，提高了信号接收速率，大大降低了成本，并使其适用于多个波段。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为成像系统结构示意图；
图2为投影的条纹结构示意图；
图3为DMD上的调制散斑。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例一
传统的在对光栅投影单像素三维成像技术中，通常都是采用多步相移法进行成像投影，但是在采用这种方法成像投影的时候，所需要的投影图案数量较多，会导致处理的数据量大，因此成像的时间长，花费的成本高。
本实施例公开了一种单像素三维成像系统，通过将四步相移法与差值鬼成像技术进行结合，并将一部分数据处理过程融合到了光路当中，降低了处理数据的数量和难度，加快了成像速度，结合单像素成像技术的优势，使用单个单像素探测器接收信号，提高了信号接收速率，大大降低了成像时间，并使其适用于多个波段。
本实施例具体的系统模块图如图1所示，包括投影模块、成像模块、二向色镜、数字微镜DMD、单像素探测器以及三维重建模块；单像素三维成像系统首先通过条纹投影装置投影出预先设计好的结构光条纹到物体上，然后将受物体调制后的条纹成像到DMD上，再利用差值鬼成像思想控制DMD调制经物体调制后的条纹，然后利用单像素探测器测得调制后光场的总光强，最后经过图像恢复程序完成物体三维图像的重建。
所述投影模块用于生成条纹投影并投射到待成像物体上；条纹投影装置可以使用市面上的商用投影仪、数字微镜DMD、空间光调制器以及提前制作的掩膜板等等，能够完成不同波长不同强度的条纹投影。
所述成像模块，用于基于投影光线，将所述待成像物体透过二向色镜成像到所述数字微镜DMD上；
所述二向色镜，用于将成像光划分为第一波长光与第二波长光；所述二向色镜的截止波长为567nm，入射角度为45°，反射光的波长范围为380nm～550nm，透射光的波长范围为584nm～800nm。
所述数字微镜DMD，用于通过Hadamard阵列对所述第一波长光与所述第二波长光进行空间编码调制，并将调制后的光路传输到所述三维重建模块；数字微镜DMD用于对经物体调制的结构光条纹进行空间编码，本装置使用的是Hadamard阵列进行空间编码。
所述单像素探测器用于探测传输过来光路的光强，并将光强信号传输到所述成像重建模块；
所述成像重建模块，用于基于所述光强信号，对待成像物体进行三维重建。
所述成像系统还包括第一反射镜与第二反射镜；所述第一反射镜用于将所述第一波长光反射呈第一角度到所述数字微镜DMD上，所述第二反射镜用于将所述第二波长光反射呈第二角度传输到所述数字微镜DMD上，所述第一角度与所述第二角度不同。
本实施例将差值鬼成像技术与结构光三维成像技术巧妙结合在一起，利用差值鬼成像能够一次进行两幅图像的差值运算的思想与结构光三维成像高精度的三维重建相结合，使其做到高速高精度的单像素三维成像。成像系统运行过程如图1所示，投影仪投影出结构条纹照射到物体上，经过成像透镜之后由分光镜分成两部分，从不同的角度成像到到DMD上，由DMD进行统一的调制，再由单像素探测器接受，然后由电脑完成三维重建。
具体重建后待成像物体三维模型的高度信息计算如下：
根据传统四步相移法三维成像为例，物体的高度可由式1恢复，式中L为物体到DMD的距离，d为投影仪和DMD的距离，T′为投影条纹的周期，φ为相位差。从式中可以看到物体到DMD的距离L、投影仪和DMD的距离d、投影条纹的周期T′、都能够提前设定，真正反应物体高度信息的是相位差φ，其表达式如式2所示，式中I1、I2、I3、I4分别为经物体调制后的四步相移法的条纹投影。可以看到对于传统的四步相移法三维成像技术，需要进行四次面阵的探测才能恢复物体的三维信息。
对于我们装置的三维成像过程，其具体过程如下。现设条纹投影分布为F1、F2、F3和F4，物体分布为T，使用MATLAB生成频分复用的强度投影条纹，利用不同的频率表示不同相移条纹，如图2所示，a为四步相移法中相移条纹F1和F3的频分复用结构；b为四步相移法中相移条纹F2和F4的频分复用结构；根据差值鬼成像思想设计两组互补的Hadamard散斑H1和H2,有H1＝1-H2，条纹投影经物体调制成像到数字微镜DMD上，再由DMD调制后由单像素探测器接收，DMD调制的空间编码图案如图3所示，图中为DMD上加载Hadamard矩阵阵列，DMD有1和0两种状态，分别表示平行光垂直入射时其反射光的角度分别为﹢12°与﹣12°，图中白色表示状态1，黑色表示状态0，同时由白色组成的图案为Hadamard散斑H1，黑色为Hadamard散斑H2，有H1＝1-H2。可以得到探测一次的桶探测值B(i)为两幅图片经两幅互补的Hadamard散斑调制后的总光强：
B(i)＝b1(i)+b3(i)；(3.1)
b1(i)＝∑H1(i)·I1；b3(i)＝∑H2(i)·I3 (3.2)
其中，I1、I3分别为经过物体T调制的条纹F1和F3在DMD上的图像，即经物体调制后的条纹投影。经过多次投影，然后进行关联运算，可以得到：
从上式中可以看到经过一次关联运算可以得到两幅经物体调制后的条纹的差值，能够直接得到了四步相移法中相位差提取过程的分子或分母部分，结果在只投影两次相移条纹并使用单像素探测器的情况下得出物体的三维分布，在继承相移条纹良好重建精度的基础上大大降低了条纹投影次数，加快了成像质量。同理，可以推导出多步相移法的情况，将多幅相移条纹复用到一张条纹投影图像中，能够将N步相移法相位提取公式，如式3.6中所示的分子、分母分别经过一次关联计算得出，其测量次数与四步相移法相同，只需要两幅投影条纹的测量次数。
现实中互补的Hadamard散斑由受控的DMD实现，利用DMD中微镜的开关状态表示微镜的不同偏转角度的原理，可以对不同角度的入射线同时进行互补的掩膜编码，从而实现差值鬼成像方法。该系统所采样的DMD型号为DLP7000，分辨率为1024*768，适用于可见光波段；单像素探测模块所使用的光电传感器为Thorlabs公司的PDA100A2；采集卡使用的是National Instruments公司的PCIe-6251，配套接线盒BNC-2110，采集速度能达到2.8MS/s。
本实施例公开的一种三维成像系统，通过将四步相移法与差值鬼成像技术进行结合，并将一部分数据处理过程融合到了光路当中，降低了处理数据的数量和难度，加快了成像速度，结合单像素成像技术的优势，使用单个单像素探测器接收信号，提高了信号接收速率，大大降低了成本，并使其适用于多个波段。
实施例二
本实施例公开了一种单像素三维成像方法，本实施例是在实施例一中的成像系统基础上实现的成像方法，方法步骤包括：
获取待成像物体的条纹投影光；将所述条纹投影光分割为第一波长光与第二波长光；将所述第一波长光与所述第二波长光按照不同角度投射在数字微镜DMD上；让经物体调制后的条纹成像到数字微镜DMD上；通过所述数字微镜DMD对调制所述第一波长光与所述第二波长光的空间编码，获得调制光；测量所述调制光的光强，并基于该光强对所述待成像物体进行三维重建。
将所述条纹投影光分割为第一波长光与第二波长光具体子步骤为：通过所述成像系统对所述条纹投影光进行成像，获得成像光；通过二向色镜将所述成像光划分为第一波长光与第二波长光。
所述调制光获得子步骤为：根据差值鬼成像方法，在所述数字微镜DMD中，设置两组互补的Hadamard散斑，并通过所述Hadamard散斑对所述第一波长光以及所述第二波长光进行空间编码，获得调制光。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种单像素三维成像系统，其特征在于，包括投影模块、成像模块、二向色镜、数字微镜DMD、单像素探测器以及三维重建模块；
所述投影模块用于生成条纹投影并投射到待成像物体上；
所述成像模块，用于基于投影光线，将所述待成像物体透过二向色镜成像到所述数字微镜DMD上；
所述二向色镜，用于将成像光划分为第一波长光与第二波长光；
所述数字微镜DMD，用于对所述第一波长光与所述第二波长光进行空间编码调制，并将调制后的光路传输到所述单像素探测器；
所述单像素探测器用于探测传输过来光路的光强，并将光强信号传输到所述三维重建模块；
所述三维重建模块，用于基于编码后的光路光强对所述待成像物体进行三维重建。
2.根据权利要求1所述的一种单像素三维成像系统，其特征在于，所述数字微镜DMD是通过Hadamard阵列进行空间编码调制。
3.根据权利要求1所述的一种单像素三维成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括第一反射镜与第二反射镜；所述第一反射镜用于将所述第一波长光反射呈第一角度到所述数字微镜DMD上，所述第二反射镜用于将所述第二波长光反射呈第二角度传输到所述数字微镜DMD上，所述第一角度与所述第二角度不同。
4.根据权利要求1～3任一所述的一种单像素三维成像系统，其特征在于，所述二向色镜的截止波长为567nm，入射角度为45°，反射光的波长范围为380nm～550nm，透射光的波长范围为584nm～800nm。
5.根据权利要求4所述的一种单像素三维成像系统，其特征在于，所述投影模块为投影仪、空间光调制器或掩膜板。
6.根据权利要求5所述的一种单像素三维成像系统，其特征在于，在所述三维重建模块中，重建后的待成像物体的高度具体表达式为：
h为重建待成像物体三维模型的高度，L为物体到所述数字微镜DMD的距离，d为所述投影模块和所述数字微镜DMD的距离，T′为投影条纹的周期，φ为相位差。
7.根据权利要求6所述的一种三维成像系统，其特征在于，所述相位差φ具体表达式为：
I1、I2、I3、I4分别为经物体调制后的四步相移法的条纹投影，x，y分别为条纹成像到DMD平面上的像素横纵坐标。
8.一种三维成像方法，其特征在于，方法步骤包括：
获取待成像物体的条纹投影光；
将所述条纹投影光分割为第一波长光与第二波长光；
将所述第一波长光与所述第二波长光按照不同角度投射在数字微镜DMD上；
通过所述数字微镜DMD对调制所述第一波长光与所述第二波长光的空间编码，获得调制光；
测量所述调制光的光强，并基于该光强对所述待成像物体进行三维重建。
9.根据权利要求8所述的一种单像素三维成像方法，其特征在于，将所述条纹投影光分割为第一波长光与第二波长光具体子步骤为：
通过所述成像系统对所述条纹投影光进行成像，获得成像光；
通过二向色镜将所述成像光划分为第一波长光与第二波长光。
10.根据权利要求9所述的一种单像素三维成像方法，其特征在于，所述调制光获得子步骤为：
根据差值鬼成像方法，在所述数字微镜DMD中，设置两组互补的Hadamard散斑，并通过所述Hadamard散斑对所述第一波长光以及所述第二波长光进行空间编码，获得调制光。
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