專利名稱：動(dòng)態(tài)多分辨率的三維數(shù)字成像的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種動(dòng)態(tài)多分辨率的三維數(shù)字成像的方法及裝置，屬于三維數(shù)字成像技術(shù)。
背景技術(shù)：
基于主動(dòng)式激光三角測(cè)量的三維成像技術(shù)能夠非接觸地獲得景物的高密度深度數(shù)據(jù)，包括激光點(diǎn)掃描三角測(cè)量和激光片掃描三角測(cè)量的三維成像技術(shù)，例如CYBERWARE(www.cyberware.com)和DIGIBOT(www.digibotics.com)公司的三維數(shù)字化儀，所說的方法和裝置都需要機(jī)械或光學(xué)掃描機(jī)制，因此三維成像的速度受到很大限制。基于條紋投影和相位測(cè)量的三維成像技術(shù)無需任何機(jī)械或光學(xué)掃描機(jī)制，不僅具有非接觸、高密度深度數(shù)據(jù)的特點(diǎn)而且具備全場深度信息獲取的特征，從而被廣泛的研究與發(fā)展。
目前提出的基于條紋投影和相位測(cè)量的三維數(shù)字成像大致包括兩類激光干涉條紋投影和白光光柵投影。條紋或光柵作為單一頻率的空間載波投射到景物上，景物將深度信息編碼在調(diào)制的空間載波之中，成像裝置和光電探測(cè)器獲取單幅或多幅編碼空間載波圖像，通過對(duì)所說的編碼載波圖像進(jìn)行光學(xué)或數(shù)字解碼獲得景物的深度數(shù)據(jù)。解碼調(diào)制的空間載波圖像的有效方法之一是通過“移相算法”，這需要產(chǎn)生三幅以上的相位移動(dòng)編碼空間載波圖。所說的方法大多只能產(chǎn)生固定和單一的空間頻率(或周期)的條紋或光柵，難以快速(如視頻速率)產(chǎn)生相位移動(dòng)，不能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)三維傳感的場合，對(duì)任意形狀景物物體的三維成像不具有普適性，例如當(dāng)景物出現(xiàn)梯度很大的變化時(shí)所說的方法都失效?？蓪?duì)比的技術(shù)文獻(xiàn)有下以四篇[1]發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?8102408[2]發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?8111691。[3]M.Rioux，“Three dimensional imaging method and device”.US Patent 4,627,734[4]M.Halioua and V.Srinivasan，“Method and apparatus for surface profilometry”.US Patent4,641,972發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種動(dòng)態(tài)多分辨率的三維數(shù)字成像的方法及裝置。該技術(shù)以實(shí)時(shí)產(chǎn)生空間變頻和相位移的正弦空間載波序列照明，應(yīng)用于動(dòng)態(tài)三維傳感場合，對(duì)任意形狀的景物物體的三維成像均具有普適性。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的。采用包括雙聲光照明發(fā)射器、圖像傳感接收器和圖像處理器構(gòu)成的裝置，實(shí)施對(duì)景物動(dòng)態(tài)多分辨率的三維數(shù)字成像方法。其特征在于，雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器與圖像傳感接收器在空間同一平面內(nèi)形成一個(gè)固定夾角，它們與被照明景物構(gòu)成一個(gè)三角形；發(fā)射器與接收器相對(duì)位置的連線為基線，照明發(fā)射器以實(shí)時(shí)產(chǎn)生的空間變頻和相位移動(dòng)的正弦空間載波序列照明景物，并對(duì)景物進(jìn)行深度的空間和時(shí)間序列編碼，獲得空間和時(shí)間序列編碼的相位移正弦載波的結(jié)構(gòu)光，再經(jīng)解碼得到對(duì)景物的多分辨率三維深度信息，即三維數(shù)字像。
上述的對(duì)景物進(jìn)行深度的空間和時(shí)間序列編碼，是分別以ξ1，ξ2＝xξ1，……ξM＝xξM-1(其中x為正整數(shù))不同頻率以及同一頻率以不同相位移(δ1、δ2……δN)條紋結(jié)構(gòu)光依次照明景物，分別得到M×N個(gè)編碼的條紋強(qiáng)度分布圖，利用“相移算法”計(jì)算出各條紋強(qiáng)度分布圖的相位圖Φ1、Φ2、Φ3……ΦM，在每個(gè)相位圖中消除2π不確定性，從而對(duì)景物得到分辨率依次遞進(jìn)的深度像。
按照上述的方法，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)多分辨率的三維數(shù)字成像的裝置，主要包括雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器、圖像傳感接收器和圖像處理器，所說的圖像傳感接收器包括光學(xué)成像透鏡與光電探測(cè)器構(gòu)成，光學(xué)成像透鏡可以是定焦距或變焦距的成像透鏡或透鏡組，二元光學(xué)成像系統(tǒng)，衍射元件成像系統(tǒng)，顯微成像系統(tǒng)；所說的光電探測(cè)器件可以是電荷耦合器件，液晶器件，空間光調(diào)制器件或由數(shù)碼相機(jī)；所述的圖像處理器是數(shù)字信號(hào)處理器與可編程專用集成電路的組合，也可以是通用圖像處理卡和計(jì)算機(jī)組合構(gòu)成，其特征在于，雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器，它是由相干光源、光束分束器、雙聲光調(diào)制器及射頻驅(qū)動(dòng)電路、方向微調(diào)器、空間濾波器、光束間距變換器(光楔)、聚焦透鏡、顯微物鏡構(gòu)成；它的驅(qū)動(dòng)射頻信號(hào)為頻率相同且具有0～2π可控相位差的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且實(shí)時(shí)變化頻率。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)整體系統(tǒng)采用全固態(tài)結(jié)構(gòu)，無任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)，因此穩(wěn)定性和重復(fù)性性能很好；(2)雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器的設(shè)計(jì)采用“共光路”或“等光程”對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此可以補(bǔ)償空氣擾動(dòng)的影響；(3)通過兩個(gè)以上的雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器與圖像傳感接收器在空間位置上的不同組合可以獲得不同方位的條紋結(jié)構(gòu)光序列，由此大大增加了三維數(shù)字成像的精度和靈活性。


圖1是本發(fā)明方法的工作原理示意2是雙聲光(AOM)調(diào)制照明發(fā)射器的結(jié)構(gòu)框3是采用一個(gè)雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器和兩個(gè)圖像傳感接收器對(duì)景物照射成像時(shí)位置擺放示意圖。
圖4是圖3裝置在同一平面直線擺放時(shí)的俯視圖。
圖5是圖3裝置在同一平面呈三角形擺放時(shí)的俯視圖。
圖6是采用一個(gè)圖像傳感接收器和兩個(gè)雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器對(duì)景物照射成像位置擺放示意圖。
圖7是圖6裝置在同一平面直線擺放時(shí)的俯視圖。
圖8是圖6裝置在同一平面呈三角形擺放時(shí)的俯視圖。
圖中101是雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器，102是圖像傳感接收器，103是圖像處理器，104是景物，201是相干光源，202是分束器，203和204是聲光調(diào)制器，205和206是方向微調(diào)器(光楔)，207是雙空間濾波器，208是合束器，209是聚焦透鏡，210是顯微物鏡。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做詳細(xì)地說明。
如圖1所示雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器與圖像傳感接收器在空間同一平面形成一個(gè)固定的夾角，照明器的光軸與成像光軸以及照明發(fā)射器與圖像傳感接收器的相對(duì)位置構(gòu)成一個(gè)三角形。雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器的射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率和相位由圖像處理器的計(jì)算機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器及D/A轉(zhuǎn)換控制。照明發(fā)射器與圖像傳感接收器相對(duì)位置之間的連線定義為基線，雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器與圖像傳感接收器一同放置在待測(cè)景物的前方。雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器產(chǎn)生空間變頻和不同相移量的時(shí)-空條紋結(jié)構(gòu)光序列，并投射到景物上，景物深度信息對(duì)空間變頻和不同相移量的時(shí)-空條紋結(jié)構(gòu)光序列進(jìn)行空間相位編碼并將結(jié)果傳送到圖像處理器。具體操作采用以下步驟(1)用空間最低頻率ξ1(例如ξ1是一個(gè)空間條紋周期的倒數(shù))和不同相位移(δ1，δ2，…，δN，N≥3)的條紋結(jié)構(gòu)光依次照明被測(cè)景物，由成像系統(tǒng)和圖像傳感接收器時(shí)序獲取每一幅相位移動(dòng)的空間編碼的條紋強(qiáng)度分布圖，利用“相移算法”計(jì)算出條紋強(qiáng)度分布的相位圖φ1(無2π不確定性)，根據(jù)上述所說的三角關(guān)系可以由所說的相位圖計(jì)算確定非整數(shù)條紋級(jí)次，由此進(jìn)一步得到景物的粗略輪廓；(2)將空間頻率調(diào)整成ξ2＝Xξ1，其中X是正整數(shù)，用頻率ξ2和不同相位移的條紋結(jié)構(gòu)光照明被測(cè)景物，按照上述所說的方法計(jì)算第二個(gè)相位圖φ2，用相位復(fù)原算法可以消除2π不確定性，得到的相位圖將使φ2的分辨率比φ1的分辨率提高X倍，因?yàn)榍耙淮斡忙?已經(jīng)分辨出的2π不確定的結(jié)果會(huì)繼承到用ξ2測(cè)量的過程中；(3)一旦用ξ2分辨出2π不確定，則可進(jìn)行到第三個(gè)分辨層次的測(cè)量，如此重復(fù)，可以不斷提高景物輪廓三維成像的分辨率。
圖2是雙聲光(AOM)調(diào)制照明發(fā)射器101的一個(gè)具體實(shí)施例。相干光源201產(chǎn)生的光束經(jīng)過分光棱鏡202后形成兩束平行光，分別以Bragg角入射到兩個(gè)聲光調(diào)制器203和204的輸入端，在兩個(gè)聲光調(diào)制器(AOM)的輸出端分別取出正一級(jí)衍射光，經(jīng)過兩個(gè)光楔205和206重新調(diào)整為兩束平行光，再經(jīng)空間濾波器進(jìn)入合束器208改變其間距，然后經(jīng)過聚焦透鏡209得到干涉場的微結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過顯微放大單元210得到放大的正弦條紋分布。通過計(jì)算機(jī)控制兩個(gè)聲光調(diào)制器(AOM)的射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率可以時(shí)序改變兩個(gè)AOM的一級(jí)衍射光的衍射角度，控制兩個(gè)聲光調(diào)制器(AOM)的射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位差可以時(shí)序改變兩個(gè)AOM的一級(jí)衍射光相互之間產(chǎn)生的相位移動(dòng)，從而產(chǎn)生空間變頻和不同相移量的時(shí)-空條紋結(jié)構(gòu)光序列。條紋空間頻率和相位移動(dòng)量均可通過改變射頻信號(hào)的帶寬來改變，改變聲波傳播的延遲可以在毫秒量級(jí)實(shí)現(xiàn)，因此用上述方法產(chǎn)生的時(shí)-空變頻條紋圖照明可以大大高于視頻速率(每幀約40毫秒)。
圖3是本發(fā)明的另外一種實(shí)施例，它是采用一個(gè)雙聲光調(diào)制照相發(fā)射器和兩個(gè)圖像傳感接收器對(duì)景物進(jìn)行照射成像裝置位置布置示意圖，圖4和圖5是圖3的兩種空間不同布置的俯視圖。在這個(gè)實(shí)施例中使用一個(gè)雙聲光(AOM)調(diào)制照明發(fā)射器101和兩個(gè)圖像傳感接收器102，由所說的雙聲光(AOM)調(diào)制照明發(fā)射器產(chǎn)生并投射空間變頻和不同相移量的時(shí)-空條紋結(jié)構(gòu)光序列，條紋空間頻率和相位移動(dòng)量均可通過改變射頻信號(hào)的帶寬來改變，由所說的兩個(gè)圖像傳感接收器從兩側(cè)分別依次或同時(shí)獲取經(jīng)過景物深度信息編碼后的時(shí)-空序列條紋圖的光強(qiáng)度分布，并將結(jié)果傳送到圖像處理器對(duì)所說的編碼時(shí)-空序列條紋圖的光強(qiáng)度分布進(jìn)行相位解碼，計(jì)算機(jī)將對(duì)應(yīng)所說的兩個(gè)接收器的兩組相位解碼數(shù)據(jù)融合在一起得到最后的結(jié)果。使用兩個(gè)圖像傳感接收器可以避免由于景物深度產(chǎn)生的遮擋現(xiàn)象，增大了三維傳感的視場范圍。
圖6是本發(fā)明的又一種實(shí)施例，它是采用一個(gè)圖像傳感接收器和兩個(gè)雙聲光照射發(fā)射器對(duì)景物進(jìn)行照射成像裝置位置布置示意圖，圖7和8是它們?cè)趦煞N空間不同布置的俯視圖。在這個(gè)實(shí)施例中使用兩個(gè)雙聲光(AOM)調(diào)制照明發(fā)射器101和一個(gè)圖像傳感接收器102，由所說的兩個(gè)雙聲光(AOM)調(diào)制照明發(fā)射器從兩側(cè)產(chǎn)生并投射兩種空間方位和空間頻率相同或不同的空間變頻和相移的時(shí)-空條紋結(jié)構(gòu)光序列，條紋空間頻率和相位移動(dòng)量均可通過改變射頻信號(hào)的帶寬來改變，由所說的一個(gè)圖像傳感接收器從一側(cè)依次或同時(shí)獲取經(jīng)過景物深度信息編碼后的，對(duì)應(yīng)所說的兩個(gè)雙聲光(AOM)調(diào)制照明發(fā)射器的時(shí)-空序列條紋圖的光強(qiáng)度分布，并將結(jié)果傳送到圖像處理器對(duì)所說的編碼時(shí)-空序列條紋圖的光強(qiáng)度分布依次或同時(shí)進(jìn)行相位解碼，計(jì)算機(jī)將對(duì)應(yīng)兩個(gè)發(fā)射器的兩組相位解碼數(shù)據(jù)融合在一起得到最后的結(jié)果。使用兩個(gè)雙聲光(AOM)調(diào)制照明發(fā)射器可以產(chǎn)生空間方位和頻率相同或不同的序列空-時(shí)結(jié)構(gòu)光照明，可以大大增加三維數(shù)字成像的靈敏度和普適性。
權(quán)利要求
1.一種動(dòng)態(tài)多分辨率的三維數(shù)字成像的方法，該方法采用包括雙聲光照明發(fā)射器、圖像傳感接收器和圖像處理器構(gòu)成的裝置，實(shí)施對(duì)景物動(dòng)態(tài)多分辨率的三維數(shù)字成像，其特征在于雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器與圖像傳感接收器在空間同一平面內(nèi)形成一個(gè)固定夾角，它們與被照明景物構(gòu)成一個(gè)三角形；發(fā)射器與接收器相對(duì)位置的連線為基線，照明發(fā)射器以實(shí)時(shí)產(chǎn)生的空間變頻和相位移動(dòng)的正弦空間載波序列照明景物，并對(duì)景物進(jìn)行深度的空間和時(shí)間序列編碼，獲得空間和時(shí)間序列編碼的相位移正弦載波的結(jié)構(gòu)光，再經(jīng)解碼得到對(duì)景物的多分辨率三維深度信息，即三維數(shù)字像。
2.按權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)多分辨率的三維數(shù)字成像的方法，其特征在于對(duì)景物進(jìn)行深度的空間和時(shí)間序列編碼，是分別以ξ1，ξ2＝xξ1，……ξM＝xξM-1(其中x為正整數(shù))不同頻率以及同一頻率以不同相位移(δ1、δ2……δN)條紋結(jié)構(gòu)光依次照明景物，分別得到M×N個(gè)編碼的條紋強(qiáng)度分布圖，利用“相移算法”計(jì)算出各條紋強(qiáng)度分布圖的相位圖Φ1、Φ2、Φ3……ΦM，在每個(gè)相位圖中消除2π不確定性，從而對(duì)景物得到分辨率依次遞進(jìn)的深度像。
3.一種按照權(quán)利要求1所述的方法，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)多分辨率的三維數(shù)字成像的裝置，該裝置主要包括雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器、圖像傳感接收器和圖像處理器構(gòu)成，所說的圖像傳感接收器包括光學(xué)成像透鏡與光電探測(cè)器構(gòu)成，光學(xué)成像透鏡可以是定焦距或變焦距的成像透鏡或透鏡組，二元光學(xué)成像系統(tǒng)，衍射元件成像系統(tǒng)，顯微成像系統(tǒng)；所說的光電探測(cè)器件可以是電荷耦合器件，液晶器件，空間光調(diào)制器件或數(shù)碼相機(jī)；所述的圖像處理器是數(shù)字信號(hào)處理器與可編程專用集成電路的組合，也可以是通用圖像處理卡和計(jì)算機(jī)組合構(gòu)成，其特征在于雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器，它是由相干光源、光束分束器、雙聲光調(diào)制器及射頻驅(qū)動(dòng)電路、方向微調(diào)器、空間濾波器、光束間距變換器(光楔)、聚焦透鏡、顯微物鏡構(gòu)成；它的驅(qū)動(dòng)射頻信號(hào)為頻率相同且具有0～2π可控相位差的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且實(shí)時(shí)變化頻率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種動(dòng)態(tài)多分辨率的三維數(shù)字成像的方法及裝置，包括雙聲光照明發(fā)射器，圖像傳感接收器和圖像處理器。由所說的照明發(fā)射器產(chǎn)生不同空間周期或頻率以及不同相位移動(dòng)的結(jié)構(gòu)光序列，并按時(shí)間序列投射到被數(shù)字化的景物上，對(duì)景物深度信息進(jìn)行空－時(shí)序列編碼，由圖像傳感接收器獲取經(jīng)過序列空－時(shí)編碼的結(jié)構(gòu)光的數(shù)字圖像，圖像處理器通過對(duì)空－時(shí)序列編碼結(jié)構(gòu)光圖像的解碼得到景物的多分辨率三維深度信息，即三維數(shù)字像。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于裝置無任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定性和重復(fù)性好；雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器采用“共光路”或“等光程”對(duì)稱結(jié)構(gòu)，抗外界干擾性能強(qiáng)；空間結(jié)構(gòu)光實(shí)時(shí)變頻和調(diào)相，分層次空－時(shí)相位重建，三維數(shù)字成像的精度和靈活性高。
文檔編號(hào)G02F1/13GK1414420SQ0213109
公開日2003年4月30日 申請(qǐng)日期2002年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月9日
發(fā)明者彭翔, 李恩邦 申請(qǐng)人:天津大學(xué)