本發(fā)明屬于激光距離成像及激光測(cè)距技術(shù)領(lǐng)域，具有涉及一種基于數(shù)字微鏡器件DMD的三維成像系統(tǒng)及成像方法。

背景技術(shù)：

激光三維成像可獲得目標(biāo)的距離像。在空間目標(biāo)識(shí)別、交會(huì)對(duì)接和在軌服務(wù)等任務(wù)中，目標(biāo)的相對(duì)距離、速度和相對(duì)姿態(tài)信息可以通過(guò)解算空間目標(biāo)上特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)獲得。目前，實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量，方法有很多種，其中主要的距離測(cè)量方法有：激光干涉法，脈沖法，調(diào)頻連續(xù)波法，相位法和三角法測(cè)距。在激光干涉測(cè)距系統(tǒng)中，距離測(cè)量范圍較小，主要用于近距離的高精密測(cè)量，為了實(shí)現(xiàn)測(cè)量，大都需要精密導(dǎo)軌，但是在大多數(shù)工業(yè)基地不具備精密導(dǎo)軌的條件，使其使用范圍受到極大限制；脈沖激光測(cè)距測(cè)程遠(yuǎn)，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是脈沖激光測(cè)距測(cè)量精度只能達(dá)到cm級(jí)，只能用于對(duì)于精度要求不高的場(chǎng)合；調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距技術(shù)無(wú)距離盲區(qū)、分辨力高、輻射功率小、可同時(shí)進(jìn)行距離和速度的測(cè)量、設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，但是該方法受發(fā)射信號(hào)的頻率穩(wěn)定度和線性度的影響很大，不適用于大范圍高精度測(cè)距；相位法激光測(cè)距測(cè)量精度高，測(cè)程遠(yuǎn)，但是該方法對(duì)硬件設(shè)備的性能參數(shù)要求較高，造價(jià)昂貴；三角法測(cè)距設(shè)計(jì)構(gòu)造簡(jiǎn)潔，具有很好的實(shí)用性，但是現(xiàn)有的三角法激光測(cè)距技術(shù)對(duì)于表面粗糙物體的距離計(jì)算比較耗時(shí)，所以各種測(cè)距方法優(yōu)缺點(diǎn)都存在，都能適用于各自適合的領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有的三角法激光測(cè)距技術(shù)存在耗時(shí)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于數(shù)字微鏡器件DMD的三維成像系統(tǒng)及成像方法，采用DMD產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光點(diǎn)光源，經(jīng)由半反鏡反射照射到物體表面，根據(jù)雙目視覺(jué)原理計(jì)算提取目標(biāo)物體的距離信息，將得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)仿真軟件得到目標(biāo)物體的圖像。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

一種基于數(shù)字微鏡器件DMD的三維成像系統(tǒng)，包括激光源1，固定在激光源1出光端的光學(xué)整形器6，固定于水平光路透過(guò)光學(xué)整形器6之后與水平面成45°的半反鏡3，固定于半反鏡3光路之后的數(shù)字微鏡器件DMD2，依次固定于半反鏡3反射光路垂直下方的聚透鏡7以及被測(cè)物體4，固定于半反鏡3反射光路兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的攝像機(jī)5以及與攝像機(jī)5連接的計(jì)算機(jī)。

所述數(shù)字微鏡器件DMD2是數(shù)字光處理DLP的基礎(chǔ)，其工作原理主要在于DMD上的芯片上的無(wú)數(shù)微小鏡片俗稱(chēng)微鏡；數(shù)字微鏡器件DMD2的芯片構(gòu)造由電子電路部分、機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和光學(xué)部分組成；數(shù)字微鏡器件DMD2的芯片表面布滿的無(wú)數(shù)微鏡，屬于其光學(xué)部分，這些微鏡通過(guò)數(shù)字微鏡器件DMD2的芯片中的電子電路部分控制，并且機(jī)械部分能夠控制微鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)。

上述所述一種基于數(shù)字微鏡器件DMD的三維成像系統(tǒng)的測(cè)距方法，當(dāng)數(shù)字微鏡器件DMD2正常工作時(shí)，光線經(jīng)過(guò)數(shù)字微鏡器件DMD2的芯片，每個(gè)微鏡通過(guò)電子電路部分的控制轉(zhuǎn)動(dòng)反射光線，當(dāng)所述激光源1發(fā)射面光源，經(jīng)過(guò)光學(xué)整形器6和半反鏡3入射到數(shù)字微鏡器件DMD2的芯片上，每個(gè)微鏡上都看作入射到點(diǎn)光源，通過(guò)電路部分控制各個(gè)微小鏡片的轉(zhuǎn)動(dòng)，將一部分點(diǎn)光源原路反射，一部分通過(guò)鏡片轉(zhuǎn)動(dòng)反射到數(shù)字微鏡器件DMD2內(nèi)部的吸收器方向被吸收，從而產(chǎn)生點(diǎn)光源；經(jīng)由數(shù)字微鏡器件DMD2產(chǎn)生點(diǎn)光源之后，由半反鏡3反射光線改變光路，經(jīng)由聚透鏡7聚光之后照射到被測(cè)物體4表面，由攝像機(jī)5采集被測(cè)物體4表面各個(gè)點(diǎn)的圖像信息反饋到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)依據(jù)雙目視覺(jué)原理提取各個(gè)點(diǎn)的深度信息得到各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，將所有測(cè)出的點(diǎn)的坐標(biāo)導(dǎo)入仿真軟件Matlab或者M(jìn)eshlab即能夠得到目標(biāo)物體的圖像。

本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比較，具備如下優(yōu)點(diǎn)：

傳統(tǒng)的三角法激光測(cè)距直接由激光器發(fā)射點(diǎn)光源，照射到物體表面，通過(guò)移動(dòng)物體位移，由相似三角形幾何計(jì)算照相機(jī)上的位移差從而得到激光器與物體表面的距離。而本發(fā)明直接發(fā)射面光源，由DMD產(chǎn)生若干點(diǎn)光源，通過(guò)雙目視覺(jué)原理計(jì)算得到激光器與物體之間的距離。不僅優(yōu)化了計(jì)算速度，也解決了傳統(tǒng)三角法測(cè)距利用單目視覺(jué)原理中在攝像機(jī)中得到的位移差的誤差，提高了工作效率。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明激光測(cè)距系統(tǒng)原理圖。

圖2是雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)原理圖。

圖3是雙目立體視覺(jué)計(jì)算二維原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明：

如圖1所示，本發(fā)明一種基于數(shù)字微鏡器件DMD的三維成像系統(tǒng)，包括激光源1，固定在激光源1出光端的光學(xué)整形器6，固定于水平光路透過(guò)光學(xué)整形器6之后與水平面成45°的半反鏡3，固定于半反鏡3光路之后的數(shù)字微鏡器件DMD2，依次固定于半反鏡3反射光路垂直下方的聚透鏡7以及被測(cè)物體4，固定于半反鏡3反射光路兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的攝像機(jī)5以及與攝像機(jī)5連接的計(jì)算機(jī)。

所述數(shù)字微鏡器件DMD2是數(shù)字光處理DLP的基礎(chǔ)，其工作原理主要在于DMD上的芯片上的無(wú)數(shù)微小鏡片俗稱(chēng)微鏡；數(shù)字微鏡器件DMD2的芯片構(gòu)造由電子電路部分、機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和光學(xué)部分組成；數(shù)字微鏡器件DMD2的芯片表面布滿的無(wú)數(shù)微鏡，屬于其光學(xué)部分，這些微鏡通過(guò)數(shù)字微鏡器件DMD2的芯片中的電子電路部分控制，并且機(jī)械部分能夠控制微鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)。

下面結(jié)合圖1、圖2和圖3詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明基于數(shù)字微鏡器件DMD的激光距離成像系統(tǒng)的測(cè)距方法：

步驟1：激光源1發(fā)出面光源，經(jīng)過(guò)光學(xué)整形器6減小入射光發(fā)散角，再經(jīng)過(guò)半反鏡(3)照射到數(shù)字微鏡器件DMD 2，通過(guò)電路部分控制數(shù)字微鏡器件DMD 2的芯片上微鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，使數(shù)字微鏡器件DMD 2反射出射點(diǎn)光源，經(jīng)由與水平面成45°的半反鏡3反射通過(guò)聚透鏡7聚光照射到被測(cè)物體4表面，攝像機(jī)5采集被測(cè)物體4表面各個(gè)點(diǎn)的深度信息反饋到計(jì)算機(jī)，計(jì)算得到各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

步驟2：計(jì)算機(jī)根據(jù)雙目視覺(jué)原理計(jì)算被測(cè)物體4表面各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。雙目視覺(jué)原理如下：

在圖2所示的系統(tǒng)中，P點(diǎn)在兩個(gè)投影平面(u₁-p₁-v₁)、(u₂-p₂-v₂)上的投影點(diǎn)p₁、p₂在Y軸上的分量是相同的。平行雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)在X-Z平面上的投影如圖3所示，建立直角坐標(biāo)系X-Z。攝像機(jī)焦距用f表示，基線長(zhǎng)度用B表示，P點(diǎn)到X軸的距離用Z_D表示，Z_D即為空間點(diǎn)P的深度信息。假設(shè)P點(diǎn)在X軸上的投影點(diǎn)為p′，p₁、p₂在X軸上的投影點(diǎn)分別為M，N，pp′交p₁p₂于Q點(diǎn)。

在圖3中ΔPQP₂和ΔPP′O₂相似，ΔPQP₁和ΔPP′O₁相似，由相似三角形原理可得下式：

令QP₂＝l,NO₂＝m,MQ₁＝n,則上式可以表示為：

化簡(jiǎn)上式得：

圖2-中，設(shè)p₁點(diǎn)的圖像坐標(biāo)為(u₁，u₂)，p₂點(diǎn)的圖像坐標(biāo)為(u₂，v₂)，則u₁-u₂＝m+n，所以上式可表示為：

令d＝u₁-u₂，d被稱(chēng)為視差。則上式可表示為：

步驟三：Z_D為P點(diǎn)到X軸的距離，也即該點(diǎn)到攝像機(jī)的距離，而攝像機(jī)到激光源的距離已知，設(shè)為L(zhǎng)，則該點(diǎn)到激光源的距離Z為：

Z＝Z_D+L

步驟四：將所有點(diǎn)的坐標(biāo)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)仿真軟件Matlab或者M(jìn)eshlab則可得到目標(biāo)物體的圖像。