[发明专利]一种基于高速三角波条纹投射原理的三维视觉测量系统

说明书

一种基于高速三角波条纹投射原理的三维视觉测量系统，其主要包括DMD(Digital Micro‑mirror Device，数字微镜器件)投影仪、高速工业相机以及计算机。其中DMD投影仪由DMD微镜阵列、LED(Light Emitting Diode发光二级管)光源、触发电路以及主控电路组成。工作中DMD投影仪将黑白图案高速投影被测物表面，同时触发高速相机进行图像拍摄。计算机对拍摄到的图像进行数据处理与三维解算，得到被测物表面的形貌信息。本发明通过投影一种特殊的黑白图案，将多个图案叠加成为一幅三角波条纹，实现高速投射。与传统正弦光栅投影方法比较，速度提高12倍以上。同时，发明了使用相移法的三角波相位解算方法，将本发明提出的高速测量原理进行了具体实施，可实现高速三维测量。

技术领域

本发明涉及一种基于高速三角波条纹投射原理的三维视觉测量系统，主要使用高速投影、同步相机控制技术，实现对物体表面形貌快速测量，节省测量时间，减少环境干扰，特别适用于工业现场测量、动态物体测量。

背景技术

光学三维形貌测量技术已广泛应用于工业测量、模式识别以及逆向工程等领域，显示出了广泛的应用前景。现有的基于面结构光照相测量方法的测量手段尽管拥有结构简单、点云密集、测量精度高、系统噪声低等诸多优势，但随着工业生产自动化水平的提高，该技术已经不能满足高速三维形貌测量的需要。高速测量这一需求的主要优势体现在减少测量时间、提高测量效率、受现场环境干扰小等方面。特别是针对高速移动物体的动态测量中，对测量时间的要求更为严苛。

近几年，高速测量这一领域的发展尤为迅猛，国内外针对这一问题，适用的技术路线可大体分为以下几个方向：首先是研究新型高速测量原理，从结构光照相测量基本原理出发，探究高速投影、高速信息获取的手段：比较有代表性的技术是使用物理光栅实现高速投影、使用新型光机结构提高投影速度以及使用多目相机进行一次曝光提高数据采集速度的方法。其次是研究新型的高速数据解算方法，提高数据结果获取速度：比较流行的技术是使用GPU(Graphic Processing Unit，图形处理单元)为核心的高速数据处理单元，实现并行计算，加速数据结果输出。再次是研究高速测量器件，从投影装置与传感器的机电结构上提高系统运行速度：以DMD为代表的新型光电器件的研制与开发从原理上解决了这一问题，其具有高速投影，高填充率的优势。在诸多的方法中，以散斑投影法与二值条纹投影法为代表的二值投影方法是投影速度较高的一类方法。由物理光栅投影方法滥觞，二值条纹散焦方法是一项比较有代表性的方法，其实施方法是投影二值条纹，并将投影仪的光路系统设置在离焦工作模式下，这样二值图像就经由光学系统调制成为灰度变化的模拟条纹。这种方法也存在着散焦模型难以标定、工作景深较小等诸多不足。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有投影技术的不足，提供一种投影速度快、精度高、测量点云密集的高速三维测量系统。

本发明的技术解决方案是：一种基于高速三角波条纹投射原理的三维视觉测量系统，其特征在于：主要包括DMD高速投影仪、两台高速工业相机以及计算机。高速投影仪由主控电路、DMD投影阵列、LED光源、触发单元以及通信模块组成。工作中计算机将待投影的结构光信息通过USB接口传送到DMD高速投影仪的通信模块中，通信模块将数据经由主控电路编译成为DMD投影阵列的翻转信号，同时控制LED光源调整亮度。触发单元与投影仪同步，触发高速相机对被测物拍摄，并将得到的图像信息会传到计算机进行三维解算。

所述的高速投影原理的实现，是将投影仪设置在二值黑白条纹投影模式，计算机生成一种特殊的二值结构光条纹，该条纹形状为连续排列的三角形黑白图案。整个图案系列的投影过程中，每相邻的两幅三角形图案的形状不发生变化，但是图案的相位下移或者右移一个像素。投影仪投影出一个系列的图案时，控制触发单元触发相机延长曝光时间拍摄，从而得到整个系列二值图案叠加而成的一张灰度图像。该灰度图像是具有三角波形状规律的纵向或者横向条纹，可以用于数据解算。其投影速度相比于传统正弦光栅投影模式，投影速度提高12倍以上。