一種閃頻激光散斑三維目標獲取系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種閃頻激光散斑三維目標獲取系統(tǒng)及方法。包括同步控制單元、散斑生成單元、圖像采集單元和圖像處理單元；散斑生成單元包括脈沖光源和衍射元件，用以產生隨機分布的散斑圖案并投射到被測物體上；同步控制單元控制散斑生成單元與圖像采集單元同步工作；圖像采集單元將采集到得圖像數(shù)據(jù)傳遞給圖像處理單元。本發(fā)明提供了一種能消除采集信息相對恒定的環(huán)境光成分，從而提高信號的信噪比的閃頻激光散斑三維目標獲取系統(tǒng)及方法。
【專利說明】一種閃頻激光散斑三維目標獲取系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于激光信息處理領域，涉及一種目標獲取方法，尤其涉及一種閃頻激光散斑三維目標獲取系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002]三維目標物體在光照條件下會對光進行調制，三維目標獲取技術就是通過對光信號進行處理，解調出物體的三維信息。光學三維目標獲取的方法是非接觸測量，具有速度快，精度高的優(yōu)點，可應用于機器視覺、工業(yè)制造、三維建模和人體姿態(tài)跟蹤等領域。三維信息獲取的方法有主動光方法和被動光方法兩種。主動光方法是通過向被測目標投射結構光(即光強分布有一定規(guī)律的光場)，而被動光方法則是利用被測目標對自然光的反射和散射。主動光方法可以通過投射特定波長和特定結構的光，區(qū)別于雜亂無規(guī)則的環(huán)境光，因此，可以消除環(huán)境光的干擾。主動光方法可在多種環(huán)境光條件下工作，如室內，夜間等，具有工作可靠、適應性強的優(yōu)點。
[0003]主動光測量技術中，光源經過光學系統(tǒng)投射出各種圖案，有一維圖案(如條紋，一維點陣)和二維圖案(如棋盤格和二維點陣等)兩種，這些圖案通常是規(guī)則的、周期性的，圖案的分布有規(guī)律性和重復性。這類圖案的產生機理比較簡單，可以利用計算機軟件生成圖案，然后通過投影模塊投射出去。但這種方法的缺點是投射系統(tǒng)的結構復雜，需要有圖樣生成單元(如計算機)和投影單元(如投影儀)兩部分，而且周期性(在一維或二維方向上)圖樣在解調時會產生包裹問題。因此，人們后來又提出了利用隨機散斑圖案。隨機散斑是由光源(通常為相干光源)將光投射到光學衍射元件(如光柵、全息板)上，然后在衍射元件后面的遠場形成的。這些散斑圖案中的光斑在空間位置上是完全隨機分布的，因此，對這樣的散斑圖進行圖像處理時不會出現(xiàn)包裹問題。而且，投射單元只有衍射光學元件，可以和光源集成到一起，使得結構非常簡單，可實現(xiàn)小型化、模塊化。
[0004]現(xiàn)有激光散斑三維目標獲取技術，在室內光線條件下可以正常工作，但在一些自然光照比較強的場景中，環(huán)境光會對主動光產生干擾，使得設備無法正常工作。

【發(fā)明內容】

[0005]為了解決【背景技術】中所存在的技術問題，本發(fā)明提出了一種閃頻激光散斑三維目標獲取系統(tǒng)及方法，可有效的提高了信號的信噪比。
[0006]本發(fā)明的技術方案是:
[0007]一種閃頻激光散斑三維目標獲取系統(tǒng)，其特殊之處在于:包括同步控制單元、散斑生成單元、圖像采集單元和圖像處理單元；
[0008]上述散斑生成單元包括脈沖光源和衍射元件，用以產生隨機分布的散斑圖案并投射到被測物體上；
[0009]上述同步控制單元控制散斑生成單元與圖像采集單元同步工作；
[0010]上述圖像采集單元將采集到得圖像數(shù)據(jù)傳遞給圖像處理單元；[0011]上述脈沖光源發(fā)出的脈沖為周期性光脈沖；
[0012]上述圖像采集單元包括C⑶相機和衰減片。
[0013]一種閃頻激光散斑三維目標獲取方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:
[0014]I】設置散斑生成單元的總觸發(fā)信號為一個周期為T的脈沖序列；將散斑生成單元中光源的調制頻率設為fs ；
[0015]2】步驟I】完成后，散斑生產單元產出隨機分布的散斑圖案，投射到被探測的目標上；
[0016]3】通過同步控制單元的控制，在步驟2】的同時，圖像采集單元將投射到目標上的散斑圖案采集下來，并將數(shù)據(jù)傳送送到圖像處理單元進行處理；
[0017]3.1]圖像采集單元按照光源調制頻率的時間周期整數(shù)倍進行采樣；
[0018]4】圖像處理單元將采集到得散斑圖案數(shù)據(jù)和系統(tǒng)中預先存儲的參考圖案數(shù)據(jù)進行相關比較，即可獲取目標的三維信息。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:
[0020]本發(fā)明通過對主動光進行調制，使其以一定的頻率進行閃爍照明，在光電探測器部分，也以同樣的頻率進行探測，從而可以去除相對穩(wěn)定的環(huán)境光干擾。本發(fā)明的閃頻測量技術是將光源進行調制，使其成為周期性的光脈沖信號，在探測部分也以同樣的頻率進行信號采集，這樣就可以消除相對恒定的環(huán)境光成分，從而提高信號的信噪比，使系統(tǒng)可在各種光照條件下能正常工作。
【專利附圖】

【附圖說明】[0021]圖1是本發(fā)明系統(tǒng)結構示意圖；[0022]圖2是本發(fā)明散斑生成模塊結構示意圖[0023]圖3是本發(fā)明同步控制信號時序示意圖[0024]圖3 (a)系統(tǒng)總觸發(fā)信號示意圖；[0025]圖3 (b)圖像采集單元控制信號示意圖[0026]圖3 (c) CCD相機控制信號示意圖；[0027]圖3 (d)光源控制信號示意圖；[0028]圖4環(huán)境光去除原理示意圖。
【具體實施方式】
[0029] 參見圖1-4，在圖1所示的系統(tǒng)中，同步控制單元按圖3所示時序對系統(tǒng)進行控制。系統(tǒng)總觸發(fā)信號(圖3 (a))是一個周期為T的脈沖序列。系統(tǒng)開始工作時，總觸發(fā)信號首先啟動，同時啟動圖像采集單元控制信號(圖3 (b)),在經過延時τ后,啟動(XD相機控制信號(圖3 (c))，同時光源控制信號(圖3 (d))也開始工作。對于本身具有同步信號接口的CCD相機，則不需要圖像采集單元控制信號，可直接用同步信號控制CCD相機的工作。
[0030]由于CXD相機同步控制信號和光源控制信號同時啟動工作，而且它們的周期也相同，所以在這種工作方式下，散斑的出現(xiàn)和圖像采集是同步進行。采集到的圖像，在時域上通過濾波，即可去除環(huán)境光。
[0031]當圖像采集單元對目標物體進行成像時，目標物體上的光場1是由兩部分光疊加而成，即環(huán)境光Ie和散斑光Is，如圖4所示。環(huán)境光由目標物體所處的環(huán)境光場決定，散斑光是有散斑生成單元產生，然后投射到被測目標上。環(huán)境光場的強度Ie通常是相對穩(wěn)定的，而散斑光Is則是經過調試后周期性變化的。如前所述，圖像采集單元也是以與光源相同的周期同步進行圖像采集。這樣，通過濾波的方式，即可去除環(huán)境光的成分，而只保留散斑光的信號。
[0032]在實際的系統(tǒng)中，CCD相機的感光動態(tài)范圍是有限的，當目標所處的環(huán)境中環(huán)境光太強時，會出現(xiàn)感光飽和現(xiàn)象，在這種情況下，相機對其他光無法探測。所以，在強光環(huán)境下，需增加衰減片，將環(huán)境光進行衰減，或者使相機工作在自動增益調節(jié)(AGC)的狀態(tài)下。
[0033]由于CCD相機的采用速率有限，特別是高分辨率相機，采用頻率往往只有幾十幀/秒，而光源的調制頻率則可以達到幾KHz。所以，直接按調制頻率采樣，有時是不太現(xiàn)實的。對于這一問題，可以采用欠采樣技術，即我們可以按調制頻率的諧波頻率來采樣，如果調制頻率是fs，則我們可以按fs/2，fs/3, fs/4,...等頻率來采樣，也就是說，我們是按照光源調制頻率的時間周期整數(shù)倍進行采樣。
【權利要求】
1.一種閃頻激光散斑三維目標獲取系統(tǒng)，其特征在于:包括同步控制單元、散斑生成單元、圖像采集單元和圖像處理單元；所述散斑生成單元包括脈沖光源和衍射元件，用以產生隨機分布的散斑圖案并投射到被測物體上；所述同步控制單元控制散斑生成單元與圖像采集單元同步工作；所述圖像采集單元將采集到得圖像數(shù)據(jù)傳遞給圖像處理單元。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種閃頻激光散斑三維目標獲取系統(tǒng)，其特征在于:所述脈沖光源發(fā)出的脈沖為周期性光脈沖。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種閃頻激光散斑三維目標獲取系統(tǒng)，其特征在于:所述圖像采集單元包括CXD相機和衰減片。
4.一種閃頻激光散斑三維目標獲取方法，其特征在于:包括以下步驟:I】設置散斑生成單元的總觸發(fā)信號為一個周期為T的脈沖序列；將散斑生成單元中光源的調制頻率設為fs ；2】步驟I】完成后，散斑生產單元產出隨機分布的散斑圖案，投射到被探測的目標上；3】通過同步控制單元的控制，在步驟2】的同時，圖像采集單元將投射到目標上的散斑圖案采集下來，并將數(shù)據(jù)傳送送到圖像處理單元進行處理；·3.1]圖像采集單元按照光源調制頻率的時間周期整數(shù)倍進行采樣；4】圖像處理單元將采集到·得散斑圖案數(shù)據(jù)和系統(tǒng)中預先存儲的參考圖案數(shù)據(jù)進行相關比較，即可獲取目標的三維信息。
【文檔編號】G01B11/00GK103528518SQ201310491948
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月18日 優(yōu)先權日:2013年10月18日
【發(fā)明者】賀正權, 孔德鵬, 屈恩世, 李育林, 張敏睿, 胡寶文 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所