一種硬件智能化的結構光三維掃描系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于智能化的結構光三維掃描系統領域，特別涉及一種硬件智能化的結構 光三維掃描系統及方法。
【背景技術】
[0002] 在三維視覺、缺陷檢測、三維測量等領域，結構光三維掃描技術發揮著越來越重要 的作用。目前，結構光三維掃描技術通過在PC端存儲結構光圖片并將圖片輸出到投影儀進 行投影，再由PC端控制相機進行拍攝，通過相機傳回的變形光柵圖像數據進行三維重構，從 而計算出被掃描物體的三維信息。
[0003] 相位測量輪廓術PMP是采用結構光照明的主動三維測量常用技術之一。一個完整 的PMP系統包括一個投射結構光的投影儀，一個采集圖像的照相機，一個控制照相機和投影 機并對采集到的圖像進行數據處理的控制器，控制器通常為計算機。具體測量過程為:控制 器將需要投影的正弦光柵發送給投影機，投影機投射一組正弦光柵到被測物體表面，一組 正弦光柵具有相同的周期，連續的兩次投射的光柵之間有一個相移，一組內的每一次相移 量是一定的；光柵投影到物體表面后會被物體的表面結構所扭曲，照相機同步采集每次相 移后的在物體表面產生形變的光柵圖像;采集得到的圖像發送給控制器，由控制器根據變 形光柵計算物體的相位，再由相位重建物體的三維形貌。
[0004] 傳統的主動三維測量技術所有的編解碼過程都在控制器中完成，投影光柵由控制 器生成，然后發送給投影機，照相機拍攝圖片后又將圖片發送給控制器進行處理。
[0005] 上述技術中，因為所有編解碼工作由控制器完成，控制器的性能低下就會導致整 個過程效率低下。所有的計算過程由控制器完成，對控制器的性能要求高。數據傳輸量較 大，尤其是在多頻PMP中，需要的投影光柵達幾十幅，直接傳輸圖片的方式顯得過程繁瑣，效 率低下。
【發明內容】
[0006] 本實用新型為解決現有技術中存在的以上問題，提供了一種硬件智能化的結構光 三維掃描系統及方法，提高了掃描過程的效率，大幅度減少了控制器輸出和輸入的數據傳 輸量，有效地降低了對控制器性能的要求，實用性高。
[0007] 為了實現上述目的，本實用新型采用的技術方案是：
[0008] -種硬件智能化的結構光三維掃描系統，包括：
[0009]控制器:預設光柵類型，經過無線路由器向投影儀發送光柵類型編號和所預設的 光柵類型的參數;經過無線路由器向照相機發出方式選擇命令，所述方式選擇命令決定照 相機經過無線路由器傳向控制器的數據類型;對從照相機處接收的數據進行存儲以及完成 三維重建；
[0010]無線路由器:將控制器輸出的光柵類型編號和所預設的光柵類型的參數發送到投 影儀，將控制器發出的方式選擇命令發送到照相機，將照相機輸出的數據傳到控制器；
[0011] 投影儀：內部設置有可編程門陣列FPGA或數字信號處理器DSP，FPGA或DSP生成正 弦光柵圖像，投影儀對所述正弦光柵圖像在被測物體上進行投影，產生變形光柵圖像；
[0012] 照相機:照相機對變形光柵圖像進行實時拍照，根據控制器選定的數據類型，照相 機經過無線路由器向控制器傳送原始數據或者傳送經照相機內的FPGA或DSP處理過的數 據。
[0013]上述方案中，所述控制器設有依次連接的處理控制模塊、wifi模塊和天線模塊。 [0014] 一種硬件智能化的結構光三維掃描系統實現的方法，包括以下步驟：
[0015] 步驟1:在控制器上預設光柵類型，控制器經過無線路由器向投影儀發送光柵類型 編號和所預設的光柵類型的相關參數；
[0016] 步驟2:投影儀中的可編程門陣列FPGA或數字信號處理器DSP生成正弦光柵圖像， 投影儀對所述正弦光柵圖像在被測物體上進行投影，產生變形光柵圖像；
[0017] 步驟3:照相機對變形光柵圖像進行實時拍照；
[0018] 步驟4:控制器經過無線路由器向照相機發出方式選擇命令，所述方式選擇命令決 定照相機傳向控制器的數據類型；
[0019] 步驟5:根據控制器選定的數據類型，照相機經過無線路由器向控制器傳送原始數 據或者傳送經照相機內的FPGA或DSP處理過的數據；
[0020] 步驟6:控制器對從無線路由器接收到的數據進行存儲或者完成三維重建。
[0021] 上述方案中，所述步驟1中所述的光柵類型包括相位測量輪廓術PMP、二進制和線 掃描。
[0022]上述方案中，所述步驟2中所述的正弦光柵圖像的生成公式為：
[0023]
[0024] 其中，η是相移指數，代表第η幀圖片，#表示第η幀圖片的正弦光柵光強，p代表投 影儀，Αρ和Βρ是自定義系數，f表示光柵的空間頻率，Ν表示正弦光柵圖像的總數量，也是總的 相移數，（x p，yp)是投影儀中的坐標，Η是正弦光柵圖像的高度；
[0025] 上述方案中，所述步驟4中照相機傳向控制器的數據類型包括原始變形光柵圖像 數據、相位數據和三維數據。
[0026] 上述方案中，所述步驟5包括以下步驟：
[0027] 步驟5.1:若選定的數據類型為原始變形光柵圖像數據，照相機向控制器傳送原始 變形光柵圖像數據表示第η幀形變光柵圖像的像素點(x%^)的光強；
[0028] 若選定的數據類型不為原始變形光柵圖像數據，則進入步驟5.2;
[0029]步驟5.2:若選定的數據類型為相位數據，照相機向控制器傳送經照相機內的FPGA 或DSP計算得到的相位數據：
[0030]
[0031] 其中，η是相移指數，代表第η幀圖片，N表示變形光柵圖像的總數量，也是總的相移 數，C代表照相機，Μχ%/)表示變形光柵圖像中像素點(f，y。的相位值；
[0032]若選定的數據類型不為相位數據，則進入步驟5.3;
[0033]步驟5.3:若選定的數據類型為三維數據，照相機內的FPGA或DSP先計算相位數據 供(￥，/)，再利用#￥，/')和系統標定得到的參數矩陣^。來計算世界坐標系0'￥'2")，最 后計算平均光強度值A e和光強調制B%照相機將和(XW，YW，ZW)和發送給控制器。
[0034]上述方案中，所述步驟5.3包括：
[0035]步驟5.3.1:系統標定得到的參數矩陣Mwc:
[0036]
[0037] 步驟5.3.2 :照相機內的FPGA或DSP計算得到相位數據機V ·/ ):
[0038] 步驟5 · 3 · 3 :照相機內的FPGA或DSP利用 )和Mwc來計算世界坐標系(X W，YW， Zw)：
[0039] p=[xw yw 2w]t=C_1D
[0040] 其中，C、D和P表示矩陣
(x°，y°)表示照相機中的坐標；
[0041 ] 步驟5.3.4 :照相機內的FPGA或DSP計算得到平均光強度值六0和光強調制Be:
[0042]
[0043]
[0044] 其中，A嗝像素點(χ?的平均光強度值，B嗝像素點(χ?的光強調制；
[0045] 步驟5.3.5 :照相機將Ae、Be和(Xw，Yw，Z w)和發送給控制器。
[0046] 上述方案中，所述步驟6中所述三維重建過程需要的數據包括Ae、B。和(X W，YW，ZW)。
[0047] 本發明的有益效果是：
[0048] 1)本發明的投影儀中設有DSP或FPGA，由投影儀中的DSP或FPGA單元生成正弦光 柵，無需控制器生產正弦光柵，減少了控制器的工作量，
[0049] 2)本發明的控制器只需要向投影儀傳輸所選光柵類型的參數，可避免控制器向投 影儀傳輸圖片的過程，減少控制器與投影儀間的數據傳輸量，提高工作效率。
[0050] 3)本發明的照相機中設有DSP或FPGA，由照相機中的DSP或FPGA單元計算相位或直 接計算出三維數據，無需控制器進行此類計算，減少了控制器的工作量。
[0051] 4)本發明的照相機可直接傳輸相位數據和三維數據給控制器，可避免照相機向控 制器傳輸圖片的過程，減少控制器與照相機間的數據傳輸量，提高工作效率。
[0052] 5)本發明的照相機有三種數據傳回方式，用戶可根據自己的使用目的來選擇，功 能靈活。
[0053] 6)本發明的照相機可向控制器發送原始圖片數據，保留了完整的數據信息，可以 提供給相關研究人員用于分析研究測量誤差、非線性等。
[0054] 7)本發明的照相機可向控制器發送相位值，數據量小，可以提供給需要相位值的 用戶或者對相位感興趣的相關研究人員。
[0055] 8)本發明的照相機可向控制器發送三維數據，數據量小，可以直接進行三維重建， 提供給直接需要三維重建結果的用戶。
[0056] 9)本發明設有無線路由器，可遠程控制該系統運行。
【附圖說明】
[0057]圖1為本發明中f = l，N=4時的正弦光柵圖樣；
[0058]圖2為本發明中相位測量輪廓術結構光三維成像系統；
[0059]圖3為本發明系統流程圖；
[0060]圖4為本發明投影儀部分流程圖；
[0061 ]圖5為本發明照相機部分流程圖。
【具體實施方式】
[0062] 本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥 的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0063] 為詳細說明本發明的技術內容、構造特征、所實現目的及效果，以下結合實施方式 并配合附圖1-5詳予說明。
[0064] 一種硬件智能化的結構光三維掃描系統，包括：
[0065] 控制器:預設光柵類型，經過無線路由器向投影儀發送光柵類型編號和所預設的 光柵類型的參數;經過無線路由器向照相機發出方式選擇命令，所述方式選擇命令決定照 相機經過無線路由器傳向控制器的數據類型;對從照相機處接收的數據進行存儲以及完成 三維重建;控制器設有依次連接的處理控制模塊、wifi模塊和天線模塊；
[0066] 無線路由器:將控制器輸出的光柵類型編號和所預設的光柵類型的參數發送到投 影儀，將控制器發出的方式選擇命令發送到照相機，將照相機輸出的數據傳到控制器； [0067] 投影儀：內部設置有可編程門陣列FPGA或數字信號處理器DSP，FPGA或