CN1206513C - 时序变频条纹照明可重配置动态三维数字传感装置及过程 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时序变频条纹照明可重配置动态三维数字传感装置及过程。该装置包括逻辑控制器、数字频率合成器、射频放大器、照明发射器、图像传感接收器。其传感过程包括逻辑控制器向频率合成器发出变频、调相指令，照明发射器按指令向物体投射结构光，同时逻辑控制器产生摄像机的外触发信号并控制图像卡完成一幅条纹图像的采集，逻辑控制器接收到图像卡反馈信号后重新向频率合成器发出指令，进而驱动照明发射器以变化了的频率、相位的条纹结构光再投射到物体上。本发明的优点在于：能实时产生、采集频率和相位可变的投影条纹图，具有现场可更改性、重配置性和普适性，可广泛用于物体三维形貌特征的实时获取。

Description

时序变频条纹照明可重配置动态三维数字传感装置及过程

                               技术领域

本发明涉及时序变频条纹照明可重配置动态三维数字传感装置及过程，属于三维数字成像技术。

                               背景技术

三维数字成像及造型是近年来国际上活跃研究的一个新兴交叉学科领域，而物体表面的三维传感是3DIM的核心技术之一。国内外对激光扫描、成像雷达、聚焦分析、编码结构光、全息和散斑干涉、莫尔、数字摄影测量等三维传感理论和技术都进行了大量的研究。但到目前为止，这些三维传感概念的实现都在精度和视场尺寸与速度之间、以及速度与灵活性之间取折衷，从而限制了它们在大量三维动态传感问题中的应用。基于相位映射的三维传感理论具有并行数据采集的特点，因而在动态三维数字化的应用中潜力很大。然而，目前发展的基于相位映射的三维传感技术在应用中仍面临一些重要障碍需要克服。例如对于几何形状和拓扑结构复杂或表面梯度很大的物体进行绝对相位测量及其相位重建的问题。又如由于固有主动照明盲区和成像盲区产生的阴影和遮蔽效应，造成三维编码数据的残缺不全，以至于对高精度的深度数据重建、三维数字像的匹配和数据融合产生严重的影响。研究和克服这些问题对获取高质量的三维传感数据具有重要意义。

当被传感的物体表面存在不连续性(突然的凸起或凹陷、视场中存在若干独立的物体等)时，确定绝对相位和相位重建(绝对距离测量)都是非常棘手的问题。特别是对快速三维传感要求的情况下，这个问题尤为困难。

根据本发明实现的基于时-序变频技术的可重配置的动态三维数字化传感装置，可以以视频速率产生和采集时-序变频条纹图，具有时-空多重分辨能力(灵敏度可变)。若后接三维数字图像处理系统，则可以利用采集到的不同灵敏度的多重相位图来确定物体表面间断处附近的相位差从而得到相应的深度信息。利用本发明产生的时-序变频条纹图照明可以达到视频速率，可应用于动态三维数字化传感场合，对任意形状的被测物体的三维成像均具有普适性和实用性。

可对比的技术文献有以下四篇：

[1]F.Chen，G.M.Brown，and M.song，“Overview of three-dimensional shape measurement usingoptical methods，”Opt.Eng.29(1)：10-22(2000)

[2]Y.B.Choi and S.W.Kim，“Phase-shifting grating projection Moire topography，”Opt.Eng.37(3)，1005-1010(1998).

[3]M.S.Mermelstein，D.L.Feldkhun and L.G.Shirley，“Video-rate surface profiling withacousto-optic accordion fringe interferometry，”Opt.Eng.39(1)：106-113(2000).

[4]M.Rioux，“Three dimensional imaging method and device”.US Patent 4,627,734

                               发明内容

本发明的目的在于提供一种时序变频条纹照明可重配置动态三维数字传感装置及过程。该传感装置既过程对任何形状的物体表面能获得深度信息，产生的时序变频的条纹图像可达视频速率，应用于物体的三维成像，具有普适性。

为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案加以实现的，包括由现场可编程门阵列FPGA芯片组成的逻辑控制器，两个直接数字合成器组成的数字频率合成器，射频放大器，双声光调制照明发射器，CCD摄像机的图像传感接收器，图像采集卡，通用PC机及控制器之间的RS-232串行接口构成的传感装置。

采用上述传感装置实施时序变频条纹照明动态三维数字传感过程，包括

1)逻辑控制器向两个直接数字合成器发出变频、调相控制指令，该射频信号经放大后驱动双声光调制照明发射器产生条纹结构光投影到被测物体。

2)逻辑控制器向两个直接数字合成器发出变频、调相信号的同时，产生CCD摄像机的外触发信号和控制图像采集卡完成一幅条纹图像的采集。

3)图像采集卡完成一幅条纹图像的采集后，向逻辑控制器传递一个反馈信号，逻辑控制器重新向直接数字合成器发出频率、相位控制指令，进而驱动双声光调制照明发射器以变化了的频率、相位的条纹结构光再投射到被测物体上。

4)重复进行上述1)-3)步骤，可获得景物不同深度的信息图像。

本发明提供了一种基于时-序变频技术的可重配置的动态三维数字化传感装置，本发明具有以下优点：

(1)本发明体积小，可以嵌入在微型机器人中，用于完成被测物场景深度图像恢复、障碍物检测、目标定位等。

(2)本发明采用全数字化的方法，所有条纹图的产生、采集工作全部自动化完成，不需人工干预、调整。

(3)本发明实时性好，由于采用了先进的直接数字合成技术，频率和相位变化的动态响应时间均小于1ms。

(4)本发明具有极高的灵活性和可重配置性，投影结构光序列的空间周期或频率以及相位，可以灵活的进行现场更改、配置，这仅需更改FPGA的“软件”(设计)即可。即对景物深度信息进行的空-时序列编码算法可现场动态更改、配置，可应用任意形状的被测物体的三维成像。

                               附图说明：

图1是本发明的传感装置框图。

图中101是逻辑控制器，102-1，102-2是直接数字合成器，103-1，103-2是射频放大器，104-1，104-2是声光调制照明发射器，105是CCD摄像机，106是图像采集卡，107通用PC机。

                             具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做详细地说明。

如附图1所示：直接数字合成器产生的射频信号经射频发大器进行射频放大后，驱动基于声光调制技术的照明发射器104产生具有一定空间频率和相移量的条纹图。用逻辑控制器101产生直接数字合成器变频、调相所需的控制指令，并控制其同步、匹配。逻辑控制器101给出直接数字合成器变频、调相信号的同时，产生CCD摄像机105的外触发信号，并控制图像采集卡106完成一幅条纹图像的采集。图像采集卡完成一幅条纹图像的采集后，给逻辑控制器101一个反馈信号，逻辑控制器101得到反馈信号后，改变直接数字合成器的频率、相位控制指令，进而驱动基于声光调制技术的照明发射器产生变频和移相后的条纹图，投射到被测物体上。

附图1中的逻辑控制器101可以是现场可编程门阵列FPGA芯片，或是复杂的可编程逻辑器件CPLD，或是由现场可编程门阵列FPGA芯片和复杂的可编程逻辑器件CPLD的组合。射频放大器可为单片集成射频放大器，或是由多个芯片构成的射频放大电路系统。直接数字合成器可以是包含数模转换器DAC和电压比较器的直接数字合成器模块，或是由一片DDS、一片数模转换器DAC和一片电压比较器组合而成的直接数字合成电路系统。如采用直接数字合成器模块，其典型工作频率为180Mhz，频率控制字字长为32位，相位控制字为5位；输出频率解析度为0.04HZ，相位解析度为11.25度。峰值时，频率改变在0.1us内完成，相位改变在0.07us内完成。

附图1具体实施例是：系统上电复位后，通用PC机107经RS-232串行通讯接口给出现场可编程逻辑阵列FPGA芯片101的启动信号，使系统进入正常工作状态。现场可编程逻辑阵列FPGA芯片101首先产生RESET复位信号，由于直接数字合成器102-1，102-2在硬件电路上被设计成共用一个RESET复位信号，所以直接数字合成器102-1，102-2同时被复位，进入芯片的初始化编程状态。然后，FPGA芯片101产生直接数字合成器102-1所需的编程时钟时序，对其进行编程，经过5个W_CLK时钟信号后，40BIT的控制字被写入到直接数字合成器102-1中去，其中包括了32位的频率控制字和5位的相位控制字，这时FPGA芯片101和直接数字合成器102-1，102-2之间的8位数据总线被直接数字合成器102-1占据。完成对直接数字合成器102-1的编程后(直接数字合成器102-1中被写入了一定的频率值和相位值)，FPGA芯片101产生直接数字合成器102-2所需的编程时钟时序，开始对直接数字合成器102-2进行编程，经过5个W_CLK时钟信号后，40BIT的控制字被写入到直接数字合成器102-2中去，其中包括了32位的频率控制字和5位的相位控制字，这时FPGA芯片101和直接数字合成器102-1，102-2之间的8位数据总线被直接数字合成器102-2占据。在这里，我们将8位数据总线设计成了复用的形式，使得系统更加紧凑。由于写入直接数字合成器102-1，102-2的频率控制字和相位控制字的设置可以人为控制，故我们可以产生两路同频率但具有一定相位差的射频信号。完成对直接数字合成器102-2的编程同时，FPGA芯片101给出直接数字合成器102-1，102-2的频率更新信号，这一信号的有效值使得直接数字合成器102-1，102-2同时产生射频信号输出，这样就解决了两个直接数字合成器102-1，102-2之间的同步问题。频率更新信号同时被引入到CCD摄像机105的外触发端，触发CCD摄像机105、图像采集卡106进行条纹图的采集，图像采集完毕后，由图像采集卡106给出系统反馈信号至FPGA芯片101，通知FPGA芯片101产生下一幅条纹图的动作(产生直接数字合成器102-1，102-2所需的不同的频率、相位控制字)。如此重复下去，即可达到条纹图的实时采集。

当需要对投影结构光序列的空间周期或频率以及相位进行更改以适应任意形状的被测物体时，仅需更改FPGA的“软件”(设计)即对相应FPGA设计进行稍许修改，重新综合、编程、加载即可，这大大增加了对任意形状被测物体的三维成像的普适性和实用性。

Claims (2)

1、一种时序变频条纹照明可重配置动态三维数字传感装置，其特征在于：包括由现场可编程门阵列FPGA芯片组成的逻辑控制器，两个直接数字合成器组成的数字频率合成器，射频放大器，双声光调制照明发射器，CCD摄像机的图像传感接收器，图像采集卡，通用PC机及控制器之间的RS-232串行接口构成。

2、采用按权利要求1所述的时序变频条纹照明可重配置动态三维数字传感装置的传感过程，其特征包括下列步骤：

1)逻辑控制器向两个直接数字合成器发出变频、调相控制指令，该射频信号经放大后驱动双声光调制照明发射器产生条纹结构光投影到被测物体；

2)逻辑控制器向两个直接数字合成器发出变频、调相信号的同时，产生CCD摄像机的外触发信号和控制图像采集卡完成一幅条纹图像的采集；

3)图像采集卡完成一幅条纹图像的采集后，向逻辑控制器传递一个反馈信号，逻辑控制器重新向直接数字合成器发出频率、相位控制指令，进而驱动双声光调制照明发射器以变化了的频率、相位的条纹结构光再投射到被测物体上；

4)重复进行上述1)-3)步骤，可获得景物不同深度的信息图像。

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