專利名稱：面陣投影自同步光路旋轉(zhuǎn)三維成像的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的成像方法，具體是一種面陣投影自同步光路旋轉(zhuǎn)三維成像的方法。
背景技術(shù)：
采用基于光路旋轉(zhuǎn)方式的光學(xué)三維成像技術(shù)因其能夠在較近的距離上對較大的目標(biāo)進(jìn)行非侵犯性的三維成像，有著廣泛的應(yīng)用背景。然而，為了實現(xiàn)光路旋轉(zhuǎn)的大范圍三維成像，目前通常采用以下幾種方法并存在各自的問題(1)采用基于點激光投影的自同步掃描三維成像技術(shù)，由于采用的是點投影的方式，成像效率很低，當(dāng)要求提高成像效率時，系統(tǒng)成本會變得非常高；(2)采用基于線激光投影的同步掃描三維成像技術(shù)，由于采用的是線投影的方式，同樣成像效率低，當(dāng)要求提高成像效率時，系統(tǒng)成本會變得很高；(3)采用基于多激光片投影的同步掃描三維成像技術(shù)，存在投影光條紋無法進(jìn)行編碼，計算機對其變形后的投影光條紋識別和區(qū)分存在很大困難。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利公開(公告)號CN1737642的發(fā)明專利“基于面陣投影的同步掃描雙目視覺三維成像的方法”，雖然采用了面陣投影的同步掃描方式，但是在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于擺鏡轉(zhuǎn)動慣量很大，電機與擺鏡轉(zhuǎn)軸的傳動連接處不可避免地存在間隙，旋轉(zhuǎn)角度的控制困難，三維成像精度較低；同時也導(dǎo)致擺鏡正反轉(zhuǎn)時，兩端各自存在不平穩(wěn)期，故這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)往往需要剔除；并且，三維成像的有效視場兩端所覆蓋的視場無法實現(xiàn)累積細(xì)分的目標(biāo)，因此該三維成像方法沿被測物體縱向視場兩端的三維成像解析度較低，即大視角三維成像解析度不均勻；此外，該方法僅能在一個方向上實現(xiàn)大視角，尚未實現(xiàn)大視場三維成像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種面陣投影自同步光路旋轉(zhuǎn)三維成像的方法，通過雙面鏡和擺鏡旋轉(zhuǎn)反射來獲取若干個由面陣投影裝置的投影光路和二維成像裝置的接收光路交匯而成的局部有效視場，使其實現(xiàn)對被測物體的大視場三維成像，雙面鏡和擺鏡的轉(zhuǎn)動慣量小，控制精度高，可用于設(shè)計和制造高性能、低成本、占用空間小的大視場三維面形傳感器。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明采用的是面陣投影自同步光路旋轉(zhuǎn)的方式，面陣投影裝置的投影光條紋方向、二維成像裝置的成像掃描方向和雙面鏡的旋轉(zhuǎn)中心線三者方向一致，通過雙面鏡和擺鏡旋轉(zhuǎn)反射來獲取若干個由面陣投影裝置的投影光路和二維成像裝置的接收光路交匯而成的局部有效視場，在局部有效視場內(nèi)二維成像裝置攝取圖像時，滿足避免成像運動型模糊的條件，利用光學(xué)成像的手段，獲得若干個局部有效視場的三維成像數(shù)據(jù)，通過累積獲得大視場三維成像的數(shù)據(jù)。
以下對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，具體步驟如下1)在面陣投影裝置經(jīng)雙面鏡、反射鏡A和擺鏡反射后的投影光路與二維成像裝置經(jīng)擺鏡、反射鏡B和雙面鏡反射后的接收光路交匯而成的局部有效視場內(nèi)，計算機控制面陣投影裝置向被測物體投影帶有編碼信息的投影光條紋，二維成像裝置攝取場景圖并存入計算機；2)計算機控制電機驅(qū)動單元，電機驅(qū)動單元分別控制電機A和電機B旋轉(zhuǎn)，從而移動面陣投影裝置經(jīng)雙面鏡、反射鏡A和擺鏡反射后的投影光路與二維成像裝置經(jīng)擺鏡、反射鏡B和雙面鏡反射后的接收光路交匯而成的局部有效視場；3)重復(fù)1)、2)的步驟，累積各個局部有效視場實現(xiàn)對被測物體的覆蓋。
本發(fā)明根據(jù)需要，雙面鏡、擺鏡和反射鏡A的寬度尺寸均大于等于面陣投影裝置的投影光路在平行雙面鏡旋轉(zhuǎn)中心線方向上設(shè)定的視場與前三者相截的寬度。
本發(fā)明可根據(jù)需要，雙面鏡、擺鏡和反射鏡B的寬度尺寸均大于等于二維成像裝置的接收光路在平行雙面鏡旋轉(zhuǎn)中心線方向上設(shè)定的視場與前三者相截的寬度。
本發(fā)明中滿足避免成像運動型模糊的條件是指二維成像裝置攝取圖像的一個最短周期中，在二維成像裝置的接收光路與面陣投影裝置的投影光路交匯而成的有效視場內(nèi)，空間任一物點在二維成像裝置成像面上對應(yīng)像點的位移量小于半個像素。
本發(fā)明根據(jù)需要采用二維成像裝置攝取圖像時，雙面鏡和擺鏡保持靜止，面陣投影裝置投影靜止或者移動的投影光條紋，接著雙面鏡和擺鏡旋轉(zhuǎn)移動局部有效視場的方式。
本發(fā)明根據(jù)需要采用二維成像裝置攝取圖像時，面陣投影裝置投影靜止的投影光條紋，雙面鏡和擺鏡分別各自旋轉(zhuǎn)移動局部有效視場的方式。
本發(fā)明根據(jù)需要采用二維成像裝置攝取圖像時，面陣投影裝置投影靜止的投影光條紋，雙面鏡和擺鏡一起旋轉(zhuǎn)移動局部有效視場的方式。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明集成了面陣投影光學(xué)成像技術(shù)與自同步光路旋轉(zhuǎn)技術(shù)，提高了光路旋轉(zhuǎn)的控制精度，大幅增加了三維成像的視場范圍，應(yīng)用范圍廣，且系統(tǒng)的三維成像精度大幅提高。


圖1為本發(fā)明的基本原理示意圖。
圖2為本發(fā)明的移動局部有效視場的原理示意圖。
具體實施例方式
為了更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖和實施實例作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
如圖1、圖2所示，面陣投影裝置與二維成像裝置正對，在兩者中間是由電機A控制旋轉(zhuǎn)的雙面鏡。面陣投影裝置的投影光條紋方向、二維成像裝置的成像掃描方向和雙面鏡的旋轉(zhuǎn)中心線三者方向一致。本發(fā)明中的面陣投影裝置是普通的面陣投影裝置，如液晶投影儀等，其投影方式采用現(xiàn)有任意一種帶有編碼信息的二維面陣投影光技術(shù)，例如光柵投影、傅立葉投影、彩色結(jié)構(gòu)光投影等；二維成像裝置采用的是現(xiàn)有任意一種二維面陣成像技術(shù)，例如二維CCD攝像機等；因此本發(fā)明在局部有效視場內(nèi)三維成像可采用相位測量法、三角測量法等方法。雙面鏡為普通雙面鏡，可根據(jù)需要涂增透膜。電機A采用的是普通電機，如步進(jìn)電機、直流電機、帶減速箱的步進(jìn)電機或帶減速箱的同步電機等，由電機驅(qū)動單元控制。電機驅(qū)動單元與其相應(yīng)的電機配套，是步進(jìn)電機驅(qū)動器、直流電機驅(qū)動器或同步電機驅(qū)動器等，并與計算機相連接。
面陣投影裝置經(jīng)雙面鏡、反射鏡A和擺鏡反射的投影光路與二維成像裝置經(jīng)雙面鏡、反射鏡B和擺鏡反射的接收光路交匯形成局部有效視場。計算機控制面陣投影裝置向被測物體投影帶有編碼信息的投影光條紋，二維成像裝置攝取場景圖并存入計算機。擺鏡為普通平面鏡，可根據(jù)需要涂增透膜。擺鏡由電機B控制其旋轉(zhuǎn)，電機B采用的是普通電機，如步進(jìn)電機、直流電機、帶減速箱的步進(jìn)電機或帶減速箱的同步電機等，由電機驅(qū)動單元控制。電機驅(qū)動單元與其相應(yīng)的電機配套，是步進(jìn)電機驅(qū)動器、直流電機驅(qū)動器或同步電機驅(qū)動器等，并與計算機相連接。
計算機控制電機驅(qū)動單元，電機驅(qū)動單元分別控制電機A和電機B旋轉(zhuǎn)，從而移動局部有效視場。
在局部有效視場內(nèi)二維成像裝置攝取圖像時滿足避免成像運動型模糊的條件，即二維成像裝置攝取圖像的一個最短周期中，在二維成像裝置的接收光路與面陣投影裝置的投影光路交匯而成的有效視場內(nèi)，空間任一物點在二維成像裝置成像面上對應(yīng)像點的位移量小于半個像素。通過累積若干個局部有效視場的三維成像數(shù)據(jù)，獲得大視場三維成像的數(shù)據(jù)，其具體的大視場三維成像方式包括二維成像裝置攝取圖像時，雙面鏡和擺鏡保持靜止，面陣投影裝置投影靜止的投影光條紋，接著雙面鏡和擺鏡旋轉(zhuǎn)移動局部有效視場；二維成像裝置攝取圖像時，雙面鏡和擺鏡保持靜止，面陣投影裝置投影移動的投影光條紋，接著雙面鏡和擺鏡旋轉(zhuǎn)移動局部有效視場；二維成像裝置攝取圖像時，面陣投影裝置投影靜止的投影光條紋，雙面鏡和擺鏡分別各自旋轉(zhuǎn)移動局部有效視場；二維成像裝置攝取圖像時，面陣投影裝置投影靜止的投影光條紋，雙面鏡和擺鏡一起旋轉(zhuǎn)移動局部有效視場等方式。
由于雙面鏡和擺鏡的轉(zhuǎn)動慣量較小，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，角度控制精度高，當(dāng)雙面鏡和擺鏡設(shè)計最大旋轉(zhuǎn)角度量程為36度，本發(fā)明在兩個方向上設(shè)定的視場角均達(dá)到72度。本發(fā)明采用二維成像裝置攝取圖像時，雙面鏡和擺鏡保持靜止，面陣投影裝置投影移動的面陣投影光條紋，接著移動局部有效視場，且每個局部有效視場重疊區(qū)域不大于局部有效視場范圍的百分之十五，對距離雙面鏡前方1米被測物體三維成像，在10秒鐘以25個局部有效視場完成對72度×72度大視場范圍的覆蓋，三維成像測量精度≤0.5mm，空間三維分辨率均勻且高達(dá)0.75mm。
權(quán)利要求
1.一種面陣投影自同步光路旋轉(zhuǎn)三維成像的方法，其特征在于，采用的是面陣投影自同步光路旋轉(zhuǎn)的方式，面陣投影裝置的投影光條紋方向、二維成像裝置的成像掃描方向和雙面鏡的旋轉(zhuǎn)中心線三者方向一致，通過雙面鏡和擺鏡旋轉(zhuǎn)反射來獲取若干個由面陣投影裝置的投影光路和二維成像裝置的接收光路交匯而成的局部有效視場，在局部有效視場內(nèi)二維成像裝置攝取圖像時滿足避免成像運動型模糊的條件，利用光學(xué)成像的手段，獲得若干個局部有效視場的三維成像數(shù)據(jù)，通過累積獲得大視場三維成像的數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面陣投影自同步光路旋轉(zhuǎn)三維成像的方法，其特征是，包括如下步驟1)在面陣投影裝置經(jīng)雙面鏡、反射鏡A和擺鏡反射后的投影光路與二維成像裝置經(jīng)擺鏡、反射鏡B和雙面鏡反射后的接收光路交匯而成的局部有效視場內(nèi)，計算機控制面陣投影裝置向被測物體投影帶有編碼信息的投影光條紋，二維成像裝置攝取場景圖并存入計算機；2)計算機控制電機驅(qū)動單元，電機驅(qū)動單元分別控制電機A和電機B旋轉(zhuǎn)，從而改變面陣投影裝置經(jīng)雙面鏡、反射鏡A和擺鏡反射后的投影光路與二維成像裝置經(jīng)擺鏡、反射鏡B和雙面鏡反射后的接收光路交匯而成的局部有效視場；3)重復(fù)1)、2)的步驟，累積各個局部有效視場實現(xiàn)對被測物體的覆蓋。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的面陣投影自同步光路旋轉(zhuǎn)三維成像的方法，其特征是，雙面鏡、擺鏡和反射鏡A的寬度尺寸均大于等于面陣投影裝置的投影光路在平行雙面鏡旋轉(zhuǎn)中心線方向上設(shè)定的視場與前三者相截的寬度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的面陣投影自同步光路旋轉(zhuǎn)三維成像的方法，其特征是，雙面鏡、擺鏡和反射鏡B的寬度尺寸均大于等于二維成像裝置的接收光路在平行雙面鏡旋轉(zhuǎn)中心線方向上設(shè)定的視場與前三者相截的寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面陣投影自同步光路旋轉(zhuǎn)三維成像的方法，其特征是，所述的滿足避免成像運動型模糊的條件，是指二維成像裝置攝取圖像的一個最短周期中，在二維成像裝置的接收光路與面陣投影裝置的投影光路交匯而成的有效視場內(nèi)，空間任一物點在二維成像裝置成像面上對應(yīng)像點的位移量小于半個像素。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或者2或者5所述的面陣投影自同步光路旋轉(zhuǎn)三維成像的方法，其特征是，二維成像裝置攝取圖像時，雙面鏡和擺鏡保持靜止，面陣投影裝置投影靜止或者移動的投影光條紋，接著雙面鏡和擺鏡旋轉(zhuǎn)移動局部有效視場的方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或者2或者5所述的面陣投影自同步光路旋轉(zhuǎn)三維成像的方法，其特征是，二維成像裝置攝取圖像時，面陣投影裝置投影靜止的投影光條紋，雙面鏡和擺鏡分別各自旋轉(zhuǎn)移動局部有效視場的方式。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或者2或者5所述的面陣投影自同步光路旋轉(zhuǎn)三維成像的方法，其特征是，二維成像裝置攝取圖像時，面陣投影裝置投影靜止的投影光條紋，雙面鏡和擺鏡一起旋轉(zhuǎn)移動局部有效視場的方式。
全文摘要
一種光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的面陣投影自同步光路旋轉(zhuǎn)三維成像的方法，采用的是面陣投影自同步光路旋轉(zhuǎn)的方式，面陣投影裝置的投影光條紋方向、二維成像裝置的成像掃描方向和雙面鏡的旋轉(zhuǎn)中心線三者方向一致，通過雙面鏡和擺鏡旋轉(zhuǎn)反射來獲取若干個由面陣投影裝置的投影光路和二維成像裝置的接收光路交匯而成的局部有效視場，在局部有效視場內(nèi)二維成像裝置攝取圖像時滿足避免成像運動型模糊的條件，利用光學(xué)成像的手段，獲得若干個局部有效視場的三維成像數(shù)據(jù)，通過累積獲得大視場三維成像的數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過旋轉(zhuǎn)移動局部有效視場的方法，實現(xiàn)對被測物體的大視場三維成像，可用于設(shè)計和制造高性能、低成本、占用空間小的大視場三維面形傳感器。
文檔編號G06T17/00GK1844970SQ20061002643
公開日2006年10月11日 申請日期2006年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月11日
發(fā)明者陳亞珠, 程勝 申請人:上海交通大學(xué)