[发明专利]一种基于高速LED阵列的三维测量系统及其测量方法

说明书

本发明公开了一种基于高速LED阵列的三维测量系统及其测量方法，该系统通过控制板卡的I/O输出控制信号使得LED阵列直接输出二值方波条纹，接着调整成像镜头使之稍微离焦，使投射的二值方波条纹生成正弦条纹，将该离焦调制后的光束投射到被测物体的表面，此时正弦条纹经物体深度调制后会产生一定的形变，再由相机镜头收集与物体作用后的光束并汇聚到CCD相机接收面，计算机采集CCD相机拍摄到的图案进行数据处理与三维解算，得到物体三维形貌信息。本发明采用高速LED阵列直接投射不同宽度的二值方波条纹可以实现对物体的高速三维测量。

技术领域

本发明属于光学三维测量领域，具体涉及一种基于高速LED阵列的三维测量系统及其测量方法。

背景技术

社会的不断发展和科技的日益进步，推动着对物体三维测量技术的快速发展，使其在工业、医学、消费娱乐、汽车无人驾驶、安防、文物保护以及科学研究等领域，显示出了越来越广泛的应用前景。物体的三维测量方法可分为接触式测量和非接触式测量两大类，接触式测量方法以传统三坐标测量仪为代表，测量速度慢、设备复杂、接触操作容易对被测物体造成损伤；非接触式测量方法以光学三维形貌测量技术为代表，测量速度快、非接触操作、可全场测量、应用场景更加广泛。

光学三维测量技术无需接触物体表面即可获取物体三维信息，其主要包括飞行时间技术、立体视觉和结构光技术。飞行时间(TOF)技术使用发射器主动发射调制光，光学传感器收集被物体散射回来的光，通过计算信号离开和返回设备的时间来恢复深度信息，其测量系统紧凑，适用于移动三维测量，但由于光的传播非常快，因此该方法对短距离物体测量可实现的深度分辨率通常不高；立体视觉技术至少从两个不同的角度捕获图像，对不同角度的图像进行特征点查找并匹配，然后基于三角测距原理计算物体的3D坐标，立体视觉方法因为仅使用摄像设备，其测量速度可达到相机捕获图像的速度，但是此方法的测量精度取决于被测对象表面纹理的丰富程度；结构光技术类似于立体视觉技术，不同之处在于用投影仪代替一台摄像机。利用投影设备主动地投影结构化图案，投影的结构化图案带有编码信息，可以从根本上解决立体视觉技术中的特征点匹配困难问题，由于结构光编码图案的灵活性和多功能性，其在高速，高精度3D形状测量方面变得越来越重要。

基于正弦条纹结构光投影的三维测量技术以其高速和高精度，无接触测量的优势，广泛应用于高速三维测量中，该技术目前常规的方法是采用数字光处理(DLP)投影仪来实现正弦条纹的投影，DLP先进光控制技术的主要核心是采用数字微镜器件(DigitalMicromirrors Device，简称DMD)来实现空间光调制，但由于该空间光调制器的调制速度有限(上述方法中最快的DMD目前达到22kHz调制速度)极大限制了正弦条纹的投影速度，是其技术发展的瓶颈问题，也是相关领域科学工作者亟待攻克的难点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是对现有光学三维测量技术受到数字投影仪的投影速度限制，提供一种基于高速LED阵列的三维测量系统及其测量方法，主要使用高速LED阵列投影、同步相机控制技术，实现对物体表面形貌的快速测量

本发明基于高速LED阵列的三维测量系统，包括计算机、控制板卡、LED阵列、成像镜头、物体、相机镜头与CCD相机。

所述控制板卡的I/O输出控制信号给LED阵列，由LED阵列通过直接编码的方式输出二值方波条纹。二值方波条纹经由成像镜头离焦调制后形成正弦条纹，投射到待测物体表面。再由相机镜头收集被物体调制后的正弦条纹并成像到CCD相机的接收面；控制板卡对CCD相机进行外部触发控制，实现对LED阵列投影和CCD相机拍摄的同步控制。CCD相机将拍摄到的图像数据传送到计算机，由计算机根据三维测量中的相位与三维坐标的映射关系得到被测物体表面的坐标，完成三维重建。

针对上述三维测量系统，本发明还提出一种基于高速LED阵列的三维测量测量方法，具体步骤如下：

步骤一：LED阵列编码输出二值方波条纹。