普通及特殊環(huán)境的人工智能機(jī)器視覺識(shí)別方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種普通及特殊環(huán)境的人工智能機(jī)器視覺識(shí)別方法及裝置，為解決現(xiàn)有技術(shù)不適合多視場測量問題，是利用沿光路依次配置在精密絲杠(8-1)和精密導(dǎo)軌(8-2)的激光器(1)、光束整形系統(tǒng)(2)、矩形光柵(3)、單色傅立葉變換透鏡(4)、頻譜選擇器(5)、波片(6)、單色變倍率鏡頭(7)、高速振鏡(9)組成的光輸出系統(tǒng)向待識(shí)別目標(biāo)(10)投射正弦結(jié)構(gòu)光；由計(jì)算機(jī)(14)及與之相連的遠(yuǎn)心鏡頭及高速CCD或CMOS(11)、激光測距系統(tǒng)(12)、內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)(13)組成的視覺采集識(shí)別系統(tǒng)對(duì)待識(shí)別目標(biāo)(10)進(jìn)行視覺采集識(shí)別；通過內(nèi)置光輸出系統(tǒng)和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)的保護(hù)外殼(15)配置防輻射保護(hù)窗口對(duì)光輸出系統(tǒng)和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行防輻射保護(hù)。具有適合由近及遠(yuǎn)的大視場范圍測量的正弦結(jié)構(gòu)光連續(xù)輸出，兼顧遠(yuǎn)近不同距離，不同特征的靜態(tài)、低速，以及高速運(yùn)動(dòng)物體的模式識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
普通及特殊環(huán)境的人工智能機(jī)器視覺識(shí)別方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種機(jī)器視覺識(shí)別方法，特別是涉及一種普通及特殊環(huán)境的人工智能 機(jī)器視覺識(shí)別方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，人工智能機(jī)器視覺識(shí)別方法，主要通過直接拍攝圖像，并結(jié)合圖形圖像識(shí)別 算法實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別。對(duì)特定對(duì)象，使用特定的軟件算法識(shí)別；此類方法技術(shù)，也主要應(yīng)用于 特定、單一的識(shí)別對(duì)象。比如：藥品中藥片、膠囊的完整性識(shí)別；膠瓶飲料、酒類等的液面 高度識(shí)別；印染行業(yè)的圖像邊緣完整度識(shí)別等邊緣檢測識(shí)別領(lǐng)域等；其他如：港口、機(jī)場、 火車站、進(jìn)出口物品檢測等領(lǐng)域，一般需要人工輔助識(shí)別；強(qiáng)輻射、超高溫、超高壓等特殊領(lǐng) 域，比如礦井、核輻射污染區(qū)、海底熱液區(qū)、行星表面等特殊環(huán)境，近距離一般需要實(shí)時(shí)的圖 像遠(yuǎn)程播放，并輔助人工控制進(jìn)行；遠(yuǎn)距離的行星表面等特殊環(huán)境，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像傳輸 及人工控制，所以，對(duì)算法的要求大幅度提高，同時(shí)也大幅度增加了 CPU的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。
[0003] 在探測光源上，用攝像機(jī)直接拍攝，一般采用普通的照明光源；也有使用點(diǎn)狀激光 掃描，或者線狀激光掃描方法；也有使用投影儀投影輸出正弦結(jié)構(gòu)光照明的方法；3D立體 識(shí)別上，既有雙攝像頭方法，也有采用全息圖拍攝的干涉方法。這一類方法，因?yàn)閽呙杞Y(jié)構(gòu) 的存在，速度慢；或者，因?yàn)槭褂猛ㄓ迷O(shè)備，比如投影儀，而不適合使用于高輻射、高溫、高壓 等特殊環(huán)境；或者，雙攝像頭的運(yùn)算量也比較大；或者，因?yàn)槔萌⒏缮娣椒?，只適用于 實(shí)驗(yàn)室，限制了使用環(huán)境。
[0004] 專利號(hào)200510016796. 0專利是原理相近專利，涉及的主要內(nèi)容是"光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制 傳遞函數(shù)（MTF)測量"。該專利第一發(fā)明人為本專利申請(qǐng)第一發(fā)明人，在對(duì)該專利的四項(xiàng)關(guān) 鍵技術(shù)改進(jìn)后，可用于普通及特殊環(huán)境的人工智能機(jī)器視覺識(shí)別，減少軟件運(yùn)算量，提高識(shí) 別率。
[0005] 第一，對(duì)關(guān)鍵核心部件矩形光柵的選擇沒有針對(duì)性，單純利用矩形光柵的制作誤 差，實(shí)現(xiàn)的二級(jí)光譜輸出，不具有可控性；改進(jìn)方案是將使用占空比精確控制為大于3 : 1 的整數(shù)比的矩形透射光柵，保證利用二級(jí)光譜合成，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵位置，投影正弦結(jié)構(gòu)光的倍增 輸出。能夠使用單頻、雙頻、三頻的正弦結(jié)構(gòu)光投影，不會(huì)出現(xiàn)頻率混疊，容易實(shí)現(xiàn)濾波算法 設(shè)計(jì)，減少軟件運(yùn)算量，減輕圖像處理CPU的運(yùn)算壓力，提高識(shí)別率；
[0006] 第二，占有輸入能量70%以上的零級(jí)頻譜不能有效利用，且只能降低輸出正弦結(jié) 構(gòu)光的對(duì)比度；改進(jìn)方案是根據(jù)各級(jí)次光譜之間的相位關(guān)系，利用1/4波片或1/2波片將零 頻光能量轉(zhuǎn)移到一級(jí)頻譜、二級(jí)頻譜、三級(jí)頻譜，成倍提高局部大曲率位置的條紋密度及正 弦結(jié)構(gòu)光的對(duì)比度，利于獲取遠(yuǎn)距離及大尺寸的清晰圖像，提高模式識(shí)別率；
[0007] 第三，傅立葉變換透鏡及變倍率鏡頭為通用設(shè)計(jì)，沒有針對(duì)單一波長光的針對(duì)性 設(shè)計(jì)，輸出的正弦結(jié)構(gòu)光像場像差較大，是測量精度提高的一大障礙；改進(jìn)方案是針對(duì)光 源激光器波長，設(shè)計(jì)專用單色鏡頭，不需要考慮色差及消色差問題，只需解決球差、場曲、畸 變、慧差和像散問題即可，降低鏡頭設(shè)計(jì)、鍍膜和制造的難度，并能有效降低投影正弦結(jié)構(gòu) 光的波像差，再結(jié)合激光測距系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在不同距離位置波像差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，有效提高拍攝 對(duì)象的清晰度，提高識(shí)別精度；
[0008] 第四，平行光輸出，如果按照輸出鏡頭尺寸4英寸設(shè)計(jì)，投影尺寸即只有4英寸，限 制了測量的視場范圍，不利于大面積投影拍攝；改進(jìn)方案是配合高放大率鏡頭輸出，加大投 影面積；以及配合高速掃描振鏡的掃描，實(shí)現(xiàn)大尺寸、大面積投影正弦結(jié)構(gòu)光輸出，配合遠(yuǎn) 心鏡頭及圖像拼接技術(shù)，靜態(tài)拍攝可以達(dá)到幾十米的巨大范圍，能夠兼顧遠(yuǎn)近不同距離的 低速物體模式識(shí)別，以及高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的捕捉及模式識(shí)別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種普通及特殊環(huán)境的人工智能 機(jī)器視覺識(shí)別方法，本發(fā)明目的還在于提供用于實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。針對(duì)【背景技術(shù)】中的問 題有：人工智能機(jī)器視覺識(shí)別方法圖形圖像識(shí)別算法運(yùn)算量大，且識(shí)別對(duì)象特征單一，識(shí)別 率低；以及使用通用設(shè)備，而不適合于超低溫、高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng) 輻射等特殊環(huán)境使用等。該技術(shù)涉及人工智能機(jī)器視覺領(lǐng)域，涉及利用波片、矩形光柵或正 弦光柵、濾光片及光學(xué)空間濾波器，進(jìn)行空間分頻、合成，產(chǎn)生高于lOOlp/mm空間頻率的二 維正弦結(jié)構(gòu)光，結(jié)合遠(yuǎn)心鏡頭及高速CCD(CMOS)，以及圖像處理與模式識(shí)別軟件，進(jìn)行人工 智能機(jī)器視覺識(shí)別的一種方法和裝置。
[0010] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明普通及特殊環(huán)境的人工智能機(jī)器視覺識(shí)別方法是利用沿 光路依次配置在精密絲杠8-1和精密導(dǎo)軌8-2的激光器1、光束整形系統(tǒng)2、矩形光柵3、單 色傅立葉變換透鏡4、頻譜選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7、高速振鏡9組成的正弦結(jié)構(gòu) 光輸出系統(tǒng)向待識(shí)別目標(biāo)10投射正弦結(jié)構(gòu)光；由計(jì)算機(jī)14及與之相連的遠(yuǎn)心鏡頭及高速 CCD(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng)12、內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)13組成的視覺采集識(shí)別系統(tǒng)對(duì)待識(shí)別 目標(biāo)10進(jìn)行視覺采集識(shí)別；通過內(nèi)置正弦結(jié)構(gòu)光輸出系統(tǒng)和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)的保護(hù)外 殼15配置防輻射保護(hù)窗口對(duì)正弦結(jié)構(gòu)光輸出系統(tǒng)和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行防輻射保護(hù)；
[0011] 其中所述光束整形系統(tǒng)2位于激光器1的后面，對(duì)激光束擴(kuò)束、準(zhǔn)直、整形；矩形光 柵3位于光束整形系統(tǒng)2的后面，并使矩形光柵3定位在單色傅立葉變換透鏡4的前焦平 面上；波片6及頻譜選擇器5位于單色傅立葉變換透鏡4的后焦平面上，并定位于單色變倍 率鏡頭7的前焦平面上；高速振鏡9位于單色變倍率鏡頭7后方輸出光路上；遠(yuǎn)心鏡頭及高 速CCD(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng)12并列設(shè)置。具有結(jié)合激光測距系統(tǒng)，通過對(duì)輸出波面的標(biāo) 定，實(shí)現(xiàn)從低頻到高頻，高對(duì)比度，像場修正便捷，適合由近及遠(yuǎn)的大視場范圍測量的正弦 結(jié)構(gòu)光連續(xù)輸出，兼顧遠(yuǎn)近不同距離，不同特征的靜態(tài)、低速，以及高速運(yùn)動(dòng)物體的模式識(shí) 別的優(yōu)點(diǎn)。
[0012] 作為優(yōu)化，所述保護(hù)外殼15在正弦結(jié)構(gòu)光輸出系統(tǒng)前面和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)前 面分別配置有正弦結(jié)構(gòu)光輸出系統(tǒng)的Z字形輻射防護(hù)窗口 16-1和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)的Z 字形輻射防護(hù)窗口 16-2 ;
[0013] 采用平行光投影輸出正弦結(jié)構(gòu)光，可直接對(duì)小尺寸目標(biāo)物體拍攝；中等視場，使用 單色變倍率鏡頭輸出小角度非平行光正弦結(jié)構(gòu)光，即可實(shí)現(xiàn)；大視場測量，調(diào)整單色變倍率 鏡頭7,輸出大角度非平行光正弦結(jié)構(gòu)光，可以實(shí)現(xiàn)；或者，使用高速振鏡9,大幅度擴(kuò)大視 場范圍，高速振鏡9定位于單色變倍率鏡頭7后面，用以輸出正弦結(jié)構(gòu)光投影拍攝。所有拍 攝目標(biāo)方式需要同一時(shí)刻的基線距離b及激光測距系統(tǒng)12確定的拍攝距離L。等結(jié)構(gòu)參數(shù) 支持；配合高放大率鏡頭輸出，加大投影面積；以及配合高速振鏡9的掃描，實(shí)現(xiàn)大尺寸、大 面積投影正弦結(jié)構(gòu)光輸出，配合遠(yuǎn)心鏡頭及高速CCD(CMOS) 11及圖像拼接技術(shù)，靜態(tài)拍攝 可以達(dá)到幾十米的巨大范圍，能夠兼顧遠(yuǎn)近不同距離的低速物體模式識(shí)別，以及高速運(yùn)動(dòng) 目標(biāo)的捕捉及模式識(shí)別；獲得的利用單頻、雙頻、三頻的正弦結(jié)構(gòu)光投影拍攝的目標(biāo)圖像， 不會(huì)出現(xiàn)頻率混疊，容易實(shí)現(xiàn)濾波算法設(shè)計(jì)，減少軟件運(yùn)算量，減輕圖像處理CPU的運(yùn)算壓 力，提高識(shí)別率；將零頻光能量轉(zhuǎn)移到一級(jí)頻譜、二級(jí)頻譜、三級(jí)頻譜，成倍提高局部大曲率 位置的條紋密度及正弦結(jié)構(gòu)光的對(duì)比度，利于獲取遠(yuǎn)距離及大尺寸的清晰圖像，提高模式 識(shí)別率；結(jié)合激光測距系統(tǒng)12,實(shí)現(xiàn)在不同距離位置波像差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，有效提高拍攝對(duì) 象的清晰度，提高識(shí)別精度。
[0014] 作為優(yōu)化，所述Z字形輻射防護(hù)窗口是一個(gè)兩端分別反向垂直伸出遮光端筒的遮 光主筒的兩拐角處分別配置一面鏡面與所述遮光端筒軸線和遮光主筒軸線呈45度夾角的 反射鏡。保護(hù)外殼15帶有正弦結(jié)構(gòu)光掃描輸出保護(hù)窗口（Z字形福射防護(hù)窗口）16-1，及 目標(biāo)拍攝和測距接收輸入保護(hù)窗口（Z字形輻射防護(hù)窗口）16-2 ;固定所有元件，一般設(shè)計(jì) 需要防塵、防水保護(hù)，保證內(nèi)部元件穩(wěn)定工作及維持內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定作用；輸入、輸出保護(hù)窗 口（Z字形輻射防護(hù)窗口）16-1、保護(hù)窗口（Z字形輻射防護(hù)窗口）16-2,根據(jù)使用特殊環(huán)境 的不同選擇設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的方式；一般的耐壓、耐高溫設(shè)計(jì)選擇藍(lán)寶石窗口，防紫外設(shè)計(jì)選擇石 英窗口，防高能粒子輻射，設(shè)計(jì)選擇Z字形輻射防護(hù)窗口等，實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境需要，如超低溫、 高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射等特殊環(huán)境。即至少外端遮光端筒的外端 部配置有所述藍(lán)寶石窗口或者石英窗口或者其它其它透明材料窗口，也可以兩遮光端筒的 外端部都裝透明窗口。所述保護(hù)外殼與所述外端遮光端筒的外端部固裝或者與所述遮光主 筒固裝。所述兩遮光端筒和遮光主筒都位于所述保護(hù)外殼內(nèi)，或者僅一個(gè)遮光端筒位于保 護(hù)外殼外。
[0015] 作為優(yōu)化，所述遠(yuǎn)心鏡頭及高速C⑶或CM0S11、激光測距系統(tǒng)12同高速振鏡9構(gòu) 成拍攝基線b，通過激光測距系統(tǒng)12,獲得目標(biāo)的實(shí)時(shí)拍攝距離L。等結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)和目標(biāo) 圖像，并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)14,進(jìn)行模式識(shí)別處理并存儲(chǔ)；內(nèi)部環(huán)境控 制系統(tǒng)13將設(shè)備內(nèi)部的各個(gè)參數(shù)，如溫度、壓力等數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)14， 并受其控制，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定，保證各個(gè)元件的正常工作。
[0016] 作為優(yōu)化，a.首先調(diào)整激光器1、光束整形系統(tǒng)2、矩形光柵3、單色傅立葉變換透 鏡4、頻譜選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7、高速振鏡9等器件置于精密絲杠8-1和精密 導(dǎo)軌8-2上；遠(yuǎn)心鏡頭及高速CXD(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng)12按照設(shè)計(jì)的基線距離b確定 安裝位置；內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)13、計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)14等上述元器件均安裝在帶有保 護(hù)窗口（Z字形福射防護(hù)窗口）16-1、保護(hù)窗口（Z字形福射防護(hù)窗口）16-2的保護(hù)外殼15 內(nèi)，達(dá)到普通及特殊環(huán)境使用要求；
[0017] b.激光器1選擇圓光斑輸出的單模激光器，便于波面測量，及單色傅立葉變換透 鏡4、波片6、單色變倍率鏡頭7的單色匹配設(shè)計(jì)。當(dāng)選擇不同波長的激光器時(shí)，需要對(duì)應(yīng)設(shè) 計(jì)相匹配的單色傅立葉變換透鏡4、波片6、單色變倍率鏡頭7 ;
[0018] c.光束整形系統(tǒng)2,采用激光擴(kuò)束器設(shè)計(jì)方式，降低入射到矩形光柵3的功率密 度，降低光柵損傷，便于提高激光器1的功率；激光束腰位置的小孔，要求優(yōu)于微米級(jí)的圓 度，且無毛刺；
[0019] d.矩形光柵3,要求占空比不等于1 : 1，便利使用一級(jí)頻譜、二級(jí)頻譜及三級(jí)頻 譜，充分利用其倍頻關(guān)系，快速提高空間頻率；目標(biāo)簡單情況，矩形光柵也可方便的更換為 正弦光柵，此時(shí)，去掉頻譜選擇器5即可；
[0020] e.單色傅立葉變換透鏡4和單色變倍率鏡頭7,均需配合激光器1的波長設(shè)計(jì)，實(shí) 現(xiàn)空間光學(xué)傅里葉變換，同時(shí)兼顧孔徑和視場要求；
[0021] f.頻譜選擇器5,包括電、磁或光尋址空間光調(diào)制器SLM、數(shù)字式微反射鏡器件 DMD、機(jī)械式小孔均可，以方便選擇一級(jí)頻譜、二級(jí)頻譜及三級(jí)頻譜，并對(duì)零級(jí)頻譜略有衰減 即可；在不使用矩形光柵3,以及不需要頻譜選擇的條件下，可去掉；選擇單頻、雙頻、三頻 的正弦結(jié)構(gòu)光投影，不會(huì)出現(xiàn)頻率混疊，容易實(shí)現(xiàn)濾波算法設(shè)計(jì)，減少軟件運(yùn)算量，減輕圖 像處理CPU的運(yùn)算壓力，提高識(shí)別率；
[0022] g.波片6,配合激光器1的波長選擇波長，放置在零級(jí)頻譜位置，配合選擇一級(jí)頻 譜、二級(jí)頻譜及三級(jí)頻譜，對(duì)應(yīng)選擇1/4波片或1/2波片，將零級(jí)頻譜耦合進(jìn)一級(jí)頻譜、二級(jí) 頻譜及三級(jí)頻譜，成倍提高局部大曲率位置的條紋密度及正弦結(jié)構(gòu)光的對(duì)比度，有效利用 零級(jí)頻譜能量，利于獲取遠(yuǎn)距離及大尺寸的清晰圖像，提高模式識(shí)別率；
[0023] h.高速振鏡9,大幅度擴(kuò)大視場范圍，高速振鏡9定位于單色變倍率鏡頭7后面， 實(shí)現(xiàn)大尺寸、大面積投影正弦結(jié)構(gòu)光輸出，配合遠(yuǎn)心鏡頭及圖像拼接技術(shù)，靜態(tài)拍攝可以達(dá) 到幾十米的巨大范圍，能夠兼顧遠(yuǎn)近不同距離的低速物體模式識(shí)別，以及高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的 捕捉及模式識(shí)別；
[0024] i.精密絲杠8-1、精密導(dǎo)軌8-2,調(diào)整及固定激光器1、光束整形系統(tǒng)2、矩形光柵 3、單色傅立葉變換透鏡4、頻譜選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7、高速振鏡9等器件；
[0025] j.遠(yuǎn)心鏡頭及高速CXD(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng)12并列設(shè)置，同高速振鏡9構(gòu)成 拍攝基線b，通過激光測距系統(tǒng)12,獲得目標(biāo)的實(shí)時(shí)拍攝距離L。等結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)和目標(biāo)圖 像，實(shí)現(xiàn)在不同距離位置波像差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，有效提高拍攝對(duì)象的清晰度，提高識(shí)別精度； 并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)14,進(jìn)行模式識(shí)別處理并存儲(chǔ)；
[0026] k.內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)13獲得設(shè)備內(nèi)部的各個(gè)參數(shù)，如溫度、壓力等數(shù)據(jù)，傳輸至 計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)14,并受其控制，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定，保證各個(gè)元件的正常工作；
[0027] 1.保護(hù)外殼15,帶有正弦結(jié)構(gòu)光掃描輸出保護(hù)窗口，及目標(biāo)拍攝和測距接收輸入 保護(hù)窗口；固定所有元件，一般設(shè)計(jì)具有防塵、防水保護(hù)功能，保證內(nèi)部元件穩(wěn)定工作及維 持內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定作用；特別是，如超低溫、高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射 等特殊環(huán)境，需要針對(duì)性設(shè)計(jì)；
[0028] m.保護(hù)窗口（Z字形輻射防護(hù)窗口）16-1、保護(hù)窗口（Z字形輻射防護(hù)窗口）16-2， 是輸出、輸入保護(hù)窗口，實(shí)現(xiàn)正弦結(jié)構(gòu)光的投影輸出，識(shí)別目標(biāo)對(duì)象圖像的輸入，以及激光 測距系統(tǒng)12的保護(hù)窗口；根據(jù)使用特殊環(huán)境的不同選擇設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的方式；一般的耐壓、耐 高溫設(shè)計(jì)選擇藍(lán)寶石窗口，防紫外設(shè)計(jì)選擇石英窗口，防高能粒子福射，設(shè)計(jì)選擇Z字形福 射防護(hù)窗口等，實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境需要；在超低溫、高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng) 輻射等特殊環(huán)境，需要強(qiáng)化設(shè)計(jì)及加工制造；
[0029] η.計(jì)算機(jī)及軟件處理系統(tǒng)14,接收遠(yuǎn)心鏡頭及高速CXD(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng) 12、內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)13等獲得圖像、測距數(shù)據(jù)和內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的圖像、圖形 計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)部環(huán)境的控制，以及待識(shí)別目標(biāo)物的模式識(shí)別和數(shù)據(jù)輸出。
[0030] 是利用空間光學(xué)傅里葉分析方法，產(chǎn)生正弦結(jié)構(gòu)光輸出，投影至待識(shí)別目標(biāo)表面， 測量獲得變形光柵條紋，輔以計(jì)算機(jī)三維成像及模式識(shí)別分析；通過保護(hù)外殼、保護(hù)窗口 (Z字形輻射防護(hù)窗口）等設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)如超低溫、高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng) 輻射等特殊環(huán)境的使用要求。
[0031] 用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述方法的裝置包括沿光路依次配置在精密絲杠8-1和精密導(dǎo) 軌8-2的激光器1、光束整形系統(tǒng)2、矩形光柵3、單色傅立葉變換透鏡4、頻譜選擇器5、波片 6、單色變倍率鏡頭7、高速振鏡9組成的正弦結(jié)構(gòu)光輸出系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)14及與之相連的遠(yuǎn) 心鏡頭及高速CCD(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng)12、內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)13組成的視覺采集識(shí)別 系統(tǒng)和與正弦結(jié)構(gòu)光輸出系統(tǒng)的輸出光路和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)的采集光路指向的待識(shí)別 目標(biāo)10 ;光輸出系統(tǒng)和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)配置在帶防輻射保護(hù)窗口的保護(hù)外殼15內(nèi)；
[0032] 所述光束整形系統(tǒng)2位于激光器1的后面，對(duì)激光束擴(kuò)束、準(zhǔn)直、整形；矩形光柵3 位于光束整形系統(tǒng)2的后面，并使矩形光柵3定位在單色傅立葉變換透鏡4的前焦平面上； 波片6及頻譜選擇器5位于單色傅立葉變換透鏡4的后焦平面上，并定位于單色變倍率鏡 頭7的前焦平面上；高速振鏡9位于單色變倍率鏡頭7后方輸出光路上；遠(yuǎn)心鏡頭及高速 CXD(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng)12并列設(shè)置。具有結(jié)合激光測距系統(tǒng)，通過對(duì)輸出波面的標(biāo) 定，實(shí)現(xiàn)從低頻到高頻，高對(duì)比度，像場修正便捷，適合由近及遠(yuǎn)的大視場范圍測量的正弦 結(jié)構(gòu)光連續(xù)輸出，兼顧遠(yuǎn)近不同距離，不同特征的靜態(tài)、低速，以及高速運(yùn)動(dòng)物體的模式識(shí) 別的優(yōu)點(diǎn)。
[0033] 作為優(yōu)化，所述保護(hù)外殼15在正弦結(jié)構(gòu)光輸出系統(tǒng)前面和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)前 面分別配置有正弦結(jié)構(gòu)光輸出系統(tǒng)的Z字形輻射防護(hù)窗口 16-1和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)的Z 字形輻射防護(hù)窗口 16-2 ;
[0034] 采用平行光投影輸出正弦結(jié)構(gòu)光，可直接對(duì)小尺寸目標(biāo)物體拍攝；中等視場，使用 單色變倍率鏡頭輸出小角度非平行光正弦結(jié)構(gòu)光，即可實(shí)現(xiàn)；大視場測量，調(diào)整單色變倍率 鏡頭7,輸出大角度非平行光正弦結(jié)構(gòu)光，可以實(shí)現(xiàn)；或者，使用高速振鏡9,大幅度擴(kuò)大視 場范圍，高速振鏡9定位于單色變倍率鏡頭7后面，用以輸出正弦結(jié)構(gòu)光投影拍攝。所有拍 攝目標(biāo)方式需要同一時(shí)刻的基線距離b及激光測距系統(tǒng)12確定的拍攝距離L。等結(jié)構(gòu)參數(shù) 支持；配合高放大率鏡頭輸出，加大投影面積；以及配合高速振鏡9的掃描，實(shí)現(xiàn)大尺寸、大 面積投影正弦結(jié)構(gòu)光輸出，配合遠(yuǎn)心鏡頭及高速CCD(CMOS) 11及圖像拼接技術(shù)，靜態(tài)拍攝 可以達(dá)到幾十米的巨大范圍，能夠兼顧遠(yuǎn)近不同距離的低速物體模式識(shí)別，以及高速運(yùn)動(dòng) 目標(biāo)的捕捉及模式識(shí)別；獲得的利用單頻、雙頻、三頻的正弦結(jié)構(gòu)光投影拍攝的目標(biāo)圖像， 不會(huì)出現(xiàn)頻率混疊，容易實(shí)現(xiàn)濾波算法設(shè)計(jì)，減少軟件運(yùn)算量，減輕圖像處理CPU的運(yùn)算壓 力，提高識(shí)別率；將零頻光能量轉(zhuǎn)移到一級(jí)、二級(jí)頻譜、三級(jí)頻譜，成倍提高局部大曲率位置 的條紋密度及正弦結(jié)構(gòu)光的對(duì)比度，利于獲取遠(yuǎn)距離及大尺寸的清晰圖像，提高模式識(shí)別 率；結(jié)合激光測距系統(tǒng)12,實(shí)現(xiàn)在不同距離位置波像差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，有效提高拍攝對(duì)象的 清晰度，提高識(shí)別精度。
[0035] 作為優(yōu)化，所述Z字形輻射防護(hù)窗口是一個(gè)兩端分別反向垂直伸出遮光端筒的遮 光主筒的兩拐角處分別配置一面鏡面與所述遮光端筒軸線和遮光主筒軸線呈45度夾角的 反射鏡。保護(hù)外殼15,帶有正弦結(jié)構(gòu)光掃描輸出保護(hù)窗口（Z字形福射防護(hù)窗口）16-1，及 目標(biāo)拍攝和測距接收輸入保護(hù)窗口（Z字形輻射防護(hù)窗口）16-2 ;固定所有元件，一般設(shè)計(jì) 需要防塵、防水保護(hù)，保證內(nèi)部元件穩(wěn)定工作及維持內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定作用；輸入、輸出保護(hù)窗 口（Z字形輻射防護(hù)窗口）16-1、保護(hù)窗口（Z字形輻射防護(hù)窗口）16-2,根據(jù)使用特殊環(huán)境 的不同選擇設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的方式；一般的耐壓、耐高溫設(shè)計(jì)選擇藍(lán)寶石窗口，防紫外設(shè)計(jì)選擇石 英窗口，防高能粒子輻射，設(shè)計(jì)選擇Z字形輻射防護(hù)窗口等，實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境需要，如超低溫、 高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射等特殊環(huán)境。即至少外端遮光端筒的外端 部配置有所述藍(lán)寶石窗口或者石英窗口或者其它其它透明材料窗口，也可以兩遮光端筒的 外端部都裝透明窗口。所述保護(hù)外殼與所述外端遮光端筒的外端部固裝或者其它其它透明 材料窗口。所述保護(hù)外殼與所述外端遮光端筒的外端部固裝或者與所述遮光主筒固裝。所 述兩遮光端筒和遮光主筒都位于所述保護(hù)外殼內(nèi)，或者僅一個(gè)遮光端筒位于保護(hù)外殼外。
[0036] 作為優(yōu)化，所述遠(yuǎn)心鏡頭及高速C⑶或CM0S11、激光測距系統(tǒng)12同高速振鏡9構(gòu) 成拍攝基線b，通過激光測距系統(tǒng)12,獲得目標(biāo)的實(shí)時(shí)拍攝距離L。等結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)和目標(biāo) 圖像，并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)14,進(jìn)行模式識(shí)別處理并存儲(chǔ)；內(nèi)部環(huán)境控 制系統(tǒng)13將設(shè)備內(nèi)部的各個(gè)參數(shù)，如溫度、壓力等數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)14， 并受其控制，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定，保證各個(gè)元件的正常工作。
[0037] 作為優(yōu)化，具備如下探測方法：
[0038] a.首先調(diào)整激光器1、光束整形系統(tǒng)2、矩形光柵3、單色傅立葉變換透鏡4、頻譜 選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7、高速振鏡9等器件置于精密絲杠8-1和精密導(dǎo)軌8-2 上；遠(yuǎn)心鏡頭及高速C⑶(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng)12按照設(shè)計(jì)的基線距離b確定安裝位置； 內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)13、計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)14等上述元器件均安裝在帶有保護(hù)窗口（Z 字形輻射防護(hù)窗口）16-1、保護(hù)窗口（Z字形輻射防護(hù)窗口）16-2的保護(hù)外殼15內(nèi)，達(dá)到普 通及特殊環(huán)境使用要求；
[0039] b.激光器1選擇圓光斑輸出的單模激光器，便于波面測量，及單色傅立葉變換透 鏡4、波片6、單色變倍率鏡頭7的單色匹配設(shè)計(jì)。當(dāng)選擇不同波長的激光器時(shí)，需要對(duì)應(yīng)設(shè) 計(jì)相匹配的單色傅立葉變換透鏡4、波片6、單色變倍率鏡頭7 ;
[0040] c.光束整形系統(tǒng)2,采用激光擴(kuò)束器設(shè)計(jì)方式，降低入射到矩形光柵3的功率密 度，降低光柵損傷，便于提高激光器1的功率；激光束腰位置的小孔，要求優(yōu)于微米級(jí)的圓 度，且無毛刺；
[0041] d.矩形光柵3,要求占空比不等于1 : 1，便利使用一級(jí)頻譜、二級(jí)頻譜及三級(jí)頻 譜，充分利用其倍頻關(guān)系，快速提高空間頻率；目標(biāo)簡單情況，矩形光柵也可方便的更換為 正弦光柵，此時(shí)，去掉頻譜選擇器5即可；
[0042] e.單色傅立葉變換透鏡4和單色變倍率鏡頭7,均需配合激光器1的波長設(shè)計(jì)，實(shí) 現(xiàn)空間光學(xué)傅里葉變換，同時(shí)兼顧孔徑和視場要求；
[0043] f.頻譜選擇器5,包括電、磁或光尋址空間光調(diào)制器SLM、數(shù)字式微反射鏡器件 DMD、機(jī)械式小孔均可，以方便選擇一級(jí)頻譜、二級(jí)頻譜及三級(jí)頻譜，并對(duì)零級(jí)頻譜略有衰減 即可；在不使用矩形光柵3,以及不需要頻譜選擇的條件下，可去掉；選擇單頻、雙頻、三頻 的正弦結(jié)構(gòu)光投影，不會(huì)出現(xiàn)頻率混疊，容易實(shí)現(xiàn)濾波算法設(shè)計(jì)，減少軟件運(yùn)算量，減輕圖 像處理CPU的運(yùn)算壓力，提高識(shí)別率；
[0044] g.波片6,配合激光器1的波長選擇波長，放置在零級(jí)頻譜位置，配合選擇一級(jí)頻 譜、二級(jí)頻譜及三級(jí)頻譜，對(duì)應(yīng)選擇1/4波片或1/2波片，將零級(jí)頻譜耦合進(jìn)一級(jí)頻譜、二級(jí) 頻譜及三級(jí)頻譜，成倍提高局部大曲率位置的條紋密度及正弦結(jié)構(gòu)光的對(duì)比度，有效利用 零級(jí)頻譜能量，利于獲取遠(yuǎn)距離及大尺寸的清晰圖像，提高模式識(shí)別率；
[0045] h.高速振鏡9,大幅度擴(kuò)大視場范圍，高速振鏡9定位于單色變倍率鏡頭7后面， 實(shí)現(xiàn)大尺寸、大面積投影正弦結(jié)構(gòu)光輸出，配合遠(yuǎn)心鏡頭及圖像拼接技術(shù)，靜態(tài)拍攝可以達(dá) 到幾十米的巨大范圍，能夠兼顧遠(yuǎn)近不同距離的低速物體模式識(shí)別，以及高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的 捕捉及模式識(shí)別；
[0046] i.精密絲杠8-1、精密導(dǎo)軌8-2,調(diào)整及固定激光器1、光束整形系統(tǒng)2、矩形光柵 3、單色傅立葉變換透鏡4、頻譜選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7、高速振鏡9等器件；
[0047] j.遠(yuǎn)心鏡頭及高速CXD(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng)12并列設(shè)置，同高速振鏡9構(gòu)成 拍攝基線b，通過激光測距系統(tǒng)12,獲得目標(biāo)的實(shí)時(shí)拍攝距離L。等結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)和目標(biāo)圖 像，實(shí)現(xiàn)在不同距離位置波像差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，有效提高拍攝對(duì)象的清晰度，提高識(shí)別精度； 并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)14,進(jìn)行模式識(shí)別處理并存儲(chǔ)；
[0048] k.內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)13獲得設(shè)備內(nèi)部的各個(gè)參數(shù)，如溫度、壓力等數(shù)據(jù)，傳輸至 計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)14,并受其控制，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定，保證各個(gè)元件的正常工作；
[0049] 1.保護(hù)外殼15,帶有正弦結(jié)構(gòu)光掃描輸出保護(hù)窗口，及目標(biāo)拍攝和測距接收輸入 保護(hù)窗口；固定所有元件，一般設(shè)計(jì)具有防塵、防水保護(hù)功能，保證內(nèi)部元件穩(wěn)定工作及維 持內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定作用；特別是，如超低溫、高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射 等特殊環(huán)境，需要針對(duì)性設(shè)計(jì)；
[0050] m.保護(hù)窗口（Z字形輻射防護(hù)窗口）16-1、保護(hù)窗口（Z字形輻射防護(hù)窗口）16-2， 是輸出、輸入保護(hù)窗口，實(shí)現(xiàn)正弦結(jié)構(gòu)光的投影輸出，識(shí)別目標(biāo)對(duì)象圖像的輸入，以及激光 測距系統(tǒng)12的保護(hù)窗口；根據(jù)使用特殊環(huán)境的不同選擇設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的方式；一般的耐壓、耐 高溫設(shè)計(jì)選擇藍(lán)寶石窗口，防紫外設(shè)計(jì)選擇石英窗口，防高能粒子福射，設(shè)計(jì)選擇Z字形福 射防護(hù)窗口等，實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境需要；在超低溫、高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng) 輻射等特殊環(huán)境，需要強(qiáng)化設(shè)計(jì)及加工制造；
[0051] η.計(jì)算機(jī)及軟件處理系統(tǒng)14,接收遠(yuǎn)心鏡頭及高速CXD(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng) 12、內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)13等獲得圖像、測距數(shù)據(jù)和內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的圖像、圖形 計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)部環(huán)境的控制，以及待識(shí)別目標(biāo)物的模式識(shí)別和數(shù)據(jù)輸出。
[0052] 具體是使用占空比精確控制制造的矩形光柵，進(jìn)行空間分頻，結(jié)合頻譜選擇器，同 級(jí)次頻譜合成，利用波片將零頻光能量轉(zhuǎn)移到奇數(shù)次頻譜，提高高空間頻率正弦結(jié)構(gòu)光的 對(duì)比度，結(jié)合針對(duì)單一波長設(shè)計(jì)的單色專用鏡頭，有效降低波像差；結(jié)合激光測距系統(tǒng)，通 過對(duì)輸出波面的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)從低頻到高頻，高對(duì)比度，像場修正便捷，適合由近及遠(yuǎn)的大視 場范圍測量的正弦結(jié)構(gòu)光連續(xù)輸出，兼顧遠(yuǎn)近不同距離，不同特征的靜態(tài)、低速，以及高速 運(yùn)動(dòng)物體的模式識(shí)別。
[0053] 使用輸出的二維正弦結(jié)構(gòu)光，直接投影至被待識(shí)別目標(biāo)，均勻分布的正弦結(jié)構(gòu)光 受到被記錄物體的表面形貌調(diào)制，直接產(chǎn)生變形的柵線，將目標(biāo)物體的相位信息用變形的 柵線記錄為強(qiáng)度分布編碼，原理如下：
[0054] 若采用縫寬a，光柵常數(shù)d，長L的矩形光柵，則光柵透過率表示為：
[0055] ⑴
[0058] 再經(jīng)光學(xué)空間傅里葉變換后的投影輸出圖像構(gòu)成是：[0059]
[0056]
[0057] - (2)
[0060] 將根據(jù)（3)式原理，將獲得的正弦結(jié)構(gòu)光投影到待識(shí)別三維物體表面，被表面形 貌調(diào)制后的變形光柵條紋為：
[00611 (4)
[0062] 物體的高度信息，通過遠(yuǎn)心鏡頭，被高速CXD (CMOS)記錄為疏密不同的條紋信息， 實(shí)現(xiàn)相位編碼記錄：
[0063]
(5)
[0064] 犾得的數(shù)子化圖傢，扠影的SIB」頻卒铦構(gòu)單一，容易快速的通過軟件濾波，減輕圖 像處理CPU的壓力，容易快速實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)、多模式識(shí)別。
[0065] 由⑶式，根據(jù)光譜級(jí)次n，可知投影正弦結(jié)構(gòu)光條紋密度比為1 : 2 : 3 ;目標(biāo)物 體的高度信息能夠分別用一級(jí)，二級(jí)，以及三級(jí)光譜的正弦結(jié)構(gòu)光記錄，濾波算法容易針對(duì) 單一的目標(biāo)頻率設(shè)計(jì)。
[0066] 若采用401p/mm矩形光柵，則輸出二維正弦結(jié)構(gòu)光的柵線密度可達(dá)401p/mm以上， 物體的細(xì)節(jié)位置，局部利用2倍頻、3倍頻倍增條紋密度，投影二維正弦結(jié)構(gòu)光的柵線密度 可達(dá)1201p/mm以上，結(jié)合變倍率鏡頭輸出，柵線密度還能繼續(xù)大幅度提高。
[0067] 若為低速物體的模式識(shí)別，使用高速振鏡掃描、遠(yuǎn)心鏡頭及圖像拼接技術(shù)，能夠?qū)?現(xiàn)大尺寸物體拍攝分析；若為高速運(yùn)動(dòng)物體，可以配合高速CCD(CMOS)實(shí)現(xiàn)。
[0068] 靜態(tài)及動(dòng)態(tài)目標(biāo)模式識(shí)別，根據(jù)目標(biāo)的分辨率及拍攝范圍，采用可變基線距離b 方式，或者固定基線距離b方式，確定高速振鏡同遠(yuǎn)心鏡頭及高速CXD (CMOS)之間的基線距 離b ;以及通過激光測距系統(tǒng)確定同一時(shí)刻的拍攝距離L。;為模式識(shí)別提供拍攝的基礎(chǔ)結(jié) 構(gòu)數(shù)據(jù)；
[0069] 特殊環(huán)境應(yīng)用，如超低溫、高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射等特殊 環(huán)境；需要配合相應(yīng)的保護(hù)外殼，以及保護(hù)窗口實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，通過相應(yīng)的內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)元件的正常、穩(wěn)定工作。
[0070] 本發(fā)明裝置包括：激光器1、光束整形系統(tǒng)2、矩形光柵3、單色傅立葉變換透鏡4、 頻譜選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7、精密絲杠8-1、精密導(dǎo)軌8-2、高速振鏡9、待識(shí)別 目標(biāo)10、遠(yuǎn)心鏡頭及高速CXD(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng)12、內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)13、計(jì)算機(jī)及 軟件分析系統(tǒng)14、保護(hù)外殼15、保護(hù)窗口（Z字形福射防護(hù)窗口）16-1、保護(hù)窗口（Z字形福 射防護(hù)窗口）16-2。
[0071] 光束整形系統(tǒng)位于激光器的后面，對(duì)激光束擴(kuò)束、準(zhǔn)直、整形；矩形光柵位于光束 整形系統(tǒng)的后面，并使矩形光柵定位在單色傅立葉變換透鏡的前焦平面上；波片及頻譜選 擇器位于單色傅立葉變換透鏡的后焦平面上，并定位于單色變倍率鏡頭的前焦平面上；高 速振鏡位于單色變倍率鏡頭后方輸出光路上；上述元器件全部位于精密絲杠和精密導(dǎo)軌組 上；
[0072] 遠(yuǎn)心鏡頭及高速CXD(CMOS)、激光測距系統(tǒng)并列設(shè)置，同高速振鏡構(gòu)成拍攝基線 b，通過激光測距系統(tǒng)，獲得目標(biāo)的實(shí)時(shí)拍攝距離L。等結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)和目標(biāo)圖像，并將數(shù)據(jù) 傳輸至計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)，進(jìn)行模式識(shí)別處理并存儲(chǔ)；
[0073] 獲得的利用單頻、雙頻、三頻的正弦結(jié)構(gòu)光投影拍攝的目標(biāo)圖像，不會(huì)出現(xiàn)頻率混 疊，容易實(shí)現(xiàn)濾波算法設(shè)計(jì)，減少軟件運(yùn)算量，減輕圖像處理CPU的運(yùn)算壓力，提高識(shí)別率； 將零頻光能量轉(zhuǎn)移到一級(jí)、二級(jí)頻譜、三級(jí)頻譜，成倍提高局部大曲率位置的條紋密度及正 弦結(jié)構(gòu)光的對(duì)比度，利于獲取遠(yuǎn)距離及大尺寸的清晰圖像，提高模式識(shí)別率；結(jié)合激光測 距系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在不同距離位置波像差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，有效提高拍攝對(duì)象的清晰度，提高識(shí)別精 度；
[0074] 內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)將設(shè)備內(nèi)部的各個(gè)參數(shù)，如溫度、壓力等數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)及 軟件分析系統(tǒng)，并受其控制，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定，保證各個(gè)元件的正常工作；
[0075] 保護(hù)外殼，帶有正弦結(jié)構(gòu)光掃描輸出保護(hù)窗口，及目標(biāo)拍攝和測距接收輸入保護(hù) 窗口；固定所有元件，一般設(shè)計(jì)需要防塵、防水保護(hù)，保證內(nèi)部元件穩(wěn)定工作及維持內(nèi)部環(huán) 境穩(wěn)定作用；特別是，如超低溫、高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射等特殊環(huán) 境；
[0076] 輸入、輸出保護(hù)窗口，根據(jù)使用特殊環(huán)境的不同選擇設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的方式；一般的耐 壓、耐高溫設(shè)計(jì)選擇藍(lán)寶石窗口，防紫外設(shè)計(jì)選擇石英窗口，防高能粒子輻射，設(shè)計(jì)選擇Z 字形輻射防護(hù)窗口等，實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境需要，如超低溫、高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐 蝕、強(qiáng)輻射等特殊環(huán)境。
[0077] 采用平行光投影輸出正弦結(jié)構(gòu)光，可直接對(duì)小尺寸目標(biāo)物體拍攝沖等視場，使用 單色變倍率鏡頭輸出小角度非平行光正弦結(jié)構(gòu)光，即可實(shí)現(xiàn)；大視場測量，調(diào)整單色變倍率 鏡頭，輸出大角度非平行光正弦結(jié)構(gòu)光，可以實(shí)現(xiàn)；或者，使用高速振鏡，大幅度擴(kuò)大視場范 圍，高速振鏡定位于單色變倍率鏡頭后面，用以輸出正弦結(jié)構(gòu)光投影拍攝；所有拍攝目標(biāo)方 式，均需要同一時(shí)刻的基線距離b及激光測距系統(tǒng)確定的拍攝距離L。等結(jié)構(gòu)參數(shù)支持；配 合高放大率鏡頭輸出，加大投影面積；以及配合高速振鏡的掃描，實(shí)現(xiàn)大尺寸、大面積投影 正弦結(jié)構(gòu)光輸出，配合遠(yuǎn)心鏡頭及圖像拼接技術(shù)，靜態(tài)拍攝可以達(dá)到幾十米的巨大范圍，能 夠兼顧遠(yuǎn)近不同距離的低速物體模式識(shí)別，以及高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的捕捉及模式識(shí)別。
[0078] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明針對(duì)【背景技術(shù)】中，人工智能機(jī)器視覺識(shí)別方法圖形圖像識(shí) 別算法運(yùn)算量大，且識(shí)別對(duì)象特征單一，識(shí)別率低；以及使用通用設(shè)備，而不適合于超低溫、 高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射等特殊環(huán)境使用等問題。
[0079] 提出使用占空比精確控制制造的矩形光柵，進(jìn)行空間分頻，結(jié)合頻譜選擇器，同級(jí) 次頻譜合成，利用波片將零頻光能量轉(zhuǎn)移到奇數(shù)次頻譜，提高高空間頻率正弦結(jié)構(gòu)光的對(duì) 比度，結(jié)合針對(duì)單一波長設(shè)計(jì)的單色專用鏡頭，有效降低波像差；分頻投影方式，不會(huì)出現(xiàn) 頻率混疊，容易實(shí)現(xiàn)濾波算法設(shè)計(jì)，減少軟件運(yùn)算量，減輕圖像處理CPU的運(yùn)算壓力；零頻 光能量的有效利用，提高局部大曲率位置的條紋密度及正弦結(jié)構(gòu)光的對(duì)比度，利于獲取遠(yuǎn) 距離及大尺寸的清晰圖像，提高模式識(shí)別率；利用激光測距系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在不同距離位置波像 差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，有效提高拍攝對(duì)象的清晰度，提高識(shí)別精度；
[0080] 采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明普通及特殊環(huán)境的人工智能機(jī)器視覺識(shí)別方法及裝 置具有結(jié)合激光測距系統(tǒng)，通過對(duì)輸出波面的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)從低頻到高頻，高對(duì)比度，像場修 正便捷，適合由近及遠(yuǎn)的大視場范圍測量的正弦結(jié)構(gòu)光連續(xù)輸出，兼顧遠(yuǎn)近不同距離，不同 特征的靜態(tài)、低速，以及高速運(yùn)動(dòng)物體的模式識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0081] 圖1是用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明普通及特殊環(huán)境的人工智能機(jī)器視覺識(shí)別方法的裝置結(jié) 構(gòu)示意圖；
[0082] 圖2是圖1裝置中Z字形輻射防護(hù)窗口結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0083] 本發(fā)明普通及特殊環(huán)境的人工智能機(jī)器視覺識(shí)別方法是利用沿光路依次配置在 精密絲杠 8-1和精密導(dǎo)軌8-2的激光器1、光束整形系統(tǒng)2、矩形光柵3、單色傅立葉變換透 鏡4、頻譜選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7、高速振鏡9組成的正弦結(jié)構(gòu)光輸出系統(tǒng)向待 識(shí)別目標(biāo)10投射正弦結(jié)構(gòu)光；由計(jì)算機(jī)14及與之相連的遠(yuǎn)心鏡頭及高速CCD (CMOS) 11、激 光測距系統(tǒng)12、內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)13組成的視覺采集識(shí)別系統(tǒng)對(duì)待識(shí)別目標(biāo)10進(jìn)行視覺 采集識(shí)別；通過內(nèi)置正弦結(jié)構(gòu)光輸出系統(tǒng)和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)的保護(hù)外殼15配置防輻射 保護(hù)窗口對(duì)正弦結(jié)構(gòu)光輸出系統(tǒng)和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行防輻射保護(hù)；
[0084] 其中所述光束整形系統(tǒng)2位于激光器1的后面，對(duì)激光束擴(kuò)束、準(zhǔn)直、整形；矩形光 柵3位于光束整形系統(tǒng)2的后面，并使矩形光柵3定位在單色傅立葉變換透鏡4的前焦平 面上；波片6及頻譜選擇器5位于單色傅立葉變換透鏡4的后焦平面上，并定位于單色變倍 率鏡頭7的前焦平面上；高速振鏡9位于單色變倍率鏡頭7后方輸出光路上；遠(yuǎn)心鏡頭及高 速CCD(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng)12并列設(shè)置。具有結(jié)合激光測距系統(tǒng)，通過對(duì)輸出波面的標(biāo) 定，實(shí)現(xiàn)從低頻到高頻，高對(duì)比度，像場修正便捷，適合由近及遠(yuǎn)的大視場范圍測量的正弦 結(jié)構(gòu)光連續(xù)輸出，兼顧遠(yuǎn)近不同距離，不同特征的靜態(tài)、低速，以及高速運(yùn)動(dòng)物體的模式識(shí) 別的優(yōu)點(diǎn)。
[0085] 所述保護(hù)外殼15在正弦結(jié)構(gòu)光輸出系統(tǒng)前面和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)前面分別配置 有正弦結(jié)構(gòu)光輸出系統(tǒng)的Z字形輻射防護(hù)窗口 16-1和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)的Z字形輻射防 護(hù)窗口 16-2 ;所述Z字形福射防護(hù)窗口是一個(gè)兩端分別反向垂直伸出遮光端筒的遮光主 筒的兩拐角處分別配置一面鏡面與所述遮光端筒軸線和遮光主筒軸線呈45度夾角的反射 鏡。保護(hù)外殼15帶有正弦結(jié)構(gòu)光掃描輸出保護(hù)窗口（Z字形福射防護(hù)窗口）16-1，及目標(biāo) 拍攝和測距接收輸入保護(hù)窗口（Z字形輻射防護(hù)窗口）16-2 ;固定所有元件，一般設(shè)計(jì)需要 防塵、防水保護(hù)，保證內(nèi)部元件穩(wěn)定工作及維持內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定作用；輸入、輸出保護(hù)窗口（Z 字形輻射防護(hù)窗口）16-1、保護(hù)窗口（Z字形輻射防護(hù)窗口）16-2,根據(jù)使用特殊環(huán)境的不 同選擇設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的方式；一般的耐壓、耐高溫設(shè)計(jì)選擇藍(lán)寶石窗口，防紫外設(shè)計(jì)選擇石英窗 口，防高能粒子輻射，設(shè)計(jì)選擇Z字形輻射防護(hù)窗口等，實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境需要，如超低溫、高真 空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射等特殊環(huán)境。即至少外端遮光端筒的外端部配 置有所述藍(lán)寶石窗口或者石英窗口或者其它其它透明材料窗口，也可以兩遮光端筒的外端 部都裝透明窗口。所述保護(hù)外殼與所述外端遮光端筒的外端部固裝或者其它其它透明材料 窗口。所述保護(hù)外殼與所述外端遮光端筒的外端部固裝或者與所述遮光主筒固裝。所述兩 遮光端筒和遮光主筒都位于所述保護(hù)外殼內(nèi)，或者僅一個(gè)遮光端筒位于保護(hù)外殼外。
[0086] 采用平行光投影輸出正弦結(jié)構(gòu)光，可直接對(duì)小尺寸目標(biāo)物體拍攝；中等視場，使用 單色變倍率鏡頭輸出小角度非平行光正弦結(jié)構(gòu)光，即可實(shí)現(xiàn)；大視場測量，調(diào)整單色變倍率 鏡頭7,輸出大角度非平行光正弦結(jié)構(gòu)光，可以實(shí)現(xiàn)；或者，使用高速振鏡9,大幅度擴(kuò)大視 場范圍，高速振鏡9定位于單色變倍率鏡頭7后面，用以輸出正弦結(jié)構(gòu)光投影拍攝。所有拍 攝目標(biāo)方式需要同一時(shí)刻的基線距離b及激光測距系統(tǒng)12確定的拍攝距離L。等結(jié)構(gòu)參數(shù) 支持；配合高放大率鏡頭輸出，加大投影面積；以及配合高速振鏡9的掃描，實(shí)現(xiàn)大尺寸、大 面積投影正弦結(jié)構(gòu)光輸出，配合遠(yuǎn)心鏡頭及高速CCD(CMOS) 11及圖像拼接技術(shù)，靜態(tài)拍攝 可以達(dá)到幾十米的巨大范圍，能夠兼顧遠(yuǎn)近不同距離的低速物體模式識(shí)別，以及高速運(yùn)動(dòng) 目標(biāo)的捕捉及模式識(shí)別；獲得的利用單頻、雙頻、三頻的正弦結(jié)構(gòu)光投影拍攝的目標(biāo)圖像， 不會(huì)出現(xiàn)頻率混疊，容易實(shí)現(xiàn)濾波算法設(shè)計(jì)，減少軟件運(yùn)算量，減輕圖像處理CPU的運(yùn)算壓 力，提高識(shí)別率；將零頻光能量轉(zhuǎn)移到一級(jí)、二級(jí)頻譜、三級(jí)頻譜，成倍提高局部大曲率位置 的條紋密度及正弦結(jié)構(gòu)光的對(duì)比度，利于獲取遠(yuǎn)距離及大尺寸的清晰圖像，提高模式識(shí)別 率；結(jié)合激光測距系統(tǒng)12,實(shí)現(xiàn)在不同距離位置波像差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，有效提高拍攝對(duì)象的 清晰度，提高識(shí)別精度。
[0087] 所述遠(yuǎn)心鏡頭及高速C⑶或CM0S11、激光測距系統(tǒng)12同高速振鏡9構(gòu)成拍攝基線 b，通過激光測距系統(tǒng)12,獲得目標(biāo)的實(shí)時(shí)拍攝距離L。等結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)和目標(biāo)圖像，并將數(shù) 據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)14,進(jìn)行模式識(shí)別處理并存儲(chǔ)；內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)13將設(shè) 備內(nèi)部的各個(gè)參數(shù)，如溫度、壓力等數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)14,并受其控制，實(shí) 現(xiàn)內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定，保證各個(gè)元件的正常工作。
[0088] a.首先調(diào)整激光器1、光束整形系統(tǒng)2、矩形光柵3、單色傅立葉變換透鏡4、頻譜 選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7、高速振鏡9等器件置于精密絲杠 8-1和精密導(dǎo)軌8-2 上；遠(yuǎn)心鏡頭及高速C⑶(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng)12按照設(shè)計(jì)的基線距離b確定安裝位置； 內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)13、計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)14等上述元器件均安裝在帶有保護(hù)窗口（Z 字形輻射防護(hù)窗口）16-1、保護(hù)窗口（Z字形輻射防護(hù)窗口）16-2的保護(hù)外殼15內(nèi)，達(dá)到普 通及特殊環(huán)境使用要求；
[0089] b.激光器1選擇圓光斑輸出的單模激光器，便于波面測量，及單色傅立葉變換透 鏡4、波片6、單色變倍率鏡頭7的單色匹配設(shè)計(jì)。當(dāng)選擇不同波長的激光器時(shí)，需要對(duì)應(yīng)設(shè) 計(jì)相匹配的單色傅立葉變換透鏡4、波片6、單色變倍率鏡頭7 ;
[0090] C.光束整形系統(tǒng)2,采用激光擴(kuò)束器設(shè)計(jì)方式，降低入射到矩形光柵3的功率密 度，降低光柵損傷，便于提高激光器1的功率；激光束腰位置的小孔，要求優(yōu)于微米級(jí)的圓 度，且無毛刺；
[0091] d.矩形光柵3,要求占空比不等于1 : 1，便利使用一級(jí)頻譜、二級(jí)頻譜及三級(jí)頻 譜，充分利用其倍頻關(guān)系，快速提高空間頻率；目標(biāo)簡單情況，矩形光柵也可方便的更換為 正弦光柵，此時(shí)，去掉頻譜選擇器5即可；
[0092] e.單色傅立葉變換透鏡4和單色變倍率鏡頭7,均需配合激光器1的波長設(shè)計(jì)，實(shí) 現(xiàn)空間光學(xué)傅里葉變換，同時(shí)兼顧孔徑和視場要求；
[0093] f.頻譜選擇器5,包括電、磁或光尋址空間光調(diào)制器SLM、數(shù)字式微反射鏡器件 DMD、機(jī)械式小孔均可，以方便選擇一級(jí)頻譜、二級(jí)頻譜及三級(jí)頻譜，并對(duì)零級(jí)頻譜略有衰減 即可；在不使用矩形光柵3,以及不需要頻譜選擇的條件下，可去掉；選擇單頻、雙頻、三頻 的正弦結(jié)構(gòu)光投影，不會(huì)出現(xiàn)頻率混疊，容易實(shí)現(xiàn)濾波算法設(shè)計(jì)，減少軟件運(yùn)算量，減輕圖 像處理CPU的運(yùn)算壓力，提高識(shí)別率；
[0094] g.波片6,配合激光器1的波長選擇波長，放置在零級(jí)頻譜位置，配合選擇一級(jí)頻 譜、二級(jí)頻譜及三級(jí)頻譜，對(duì)應(yīng)選擇1/4波片或1/2波片，將零級(jí)頻譜耦合進(jìn)一級(jí)頻譜、二級(jí) 頻譜及三級(jí)頻譜，成倍提高局部大曲率位置的條紋密度及正弦結(jié)構(gòu)光的對(duì)比度，有效利用 零級(jí)頻譜能量，利于獲取遠(yuǎn)距離及大尺寸的清晰圖像，提高模式識(shí)別率；
[0095] h.高速振鏡9,大幅度擴(kuò)大視場范圍，高速振鏡9定位于單色變倍率鏡頭7后面， 實(shí)現(xiàn)大尺寸、大面積投影正弦結(jié)構(gòu)光輸出，配合遠(yuǎn)心鏡頭及圖像拼接技術(shù)，靜態(tài)拍攝可以達(dá) 到幾十米的巨大范圍，能夠兼顧遠(yuǎn)近不同距離的低速物體模式識(shí)別，以及高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的 捕捉及模式識(shí)別；
[0096] i.精密絲杠 8-1、精密導(dǎo)軌8-2,調(diào)整及固定激光器1、光束整形系統(tǒng)2、矩形光柵 3、單色傅立葉變換透鏡4、頻譜選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7、高速振鏡9等器件；
[0097] j.遠(yuǎn)心鏡頭及高速CXD(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng)12并列設(shè)置，同高速振鏡9構(gòu)成 拍攝基線b，通過激光測距系統(tǒng)12,獲得目標(biāo)的實(shí)時(shí)拍攝距離L。等結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)和目標(biāo)圖 像，實(shí)現(xiàn)在不同距離位置波像差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，有效提高拍攝對(duì)象的清晰度，提高識(shí)別精度； 并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)14,進(jìn)行模式識(shí)別處理并存儲(chǔ)；
[0098] k.內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)13獲得設(shè)備內(nèi)部的各個(gè)參數(shù)，如溫度、壓力等數(shù)據(jù)，傳輸至 計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)14,并受其控制，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定，保證各個(gè)元件的正常工作；
[0099] 1.保護(hù)外殼15,帶有正弦結(jié)構(gòu)光掃描輸出保護(hù)窗口，及目標(biāo)拍攝和測距接收輸入 保護(hù)窗口；固定所有元件，一般設(shè)計(jì)具有防塵、防水保護(hù)功能，保證內(nèi)部元件穩(wěn)定工作及維 持內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定作用；特別是，如超低溫、高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射 等特殊環(huán)境，需要針對(duì)性設(shè)計(jì)；
[0100] m.保護(hù)窗口（Z字形輻射防護(hù)窗口）16-1、保護(hù)窗口（Z字形輻射防護(hù)窗口）16-2， 是輸出、輸入保護(hù)窗口，實(shí)現(xiàn)正弦結(jié)構(gòu)光的投影輸出，識(shí)別目標(biāo)對(duì)象圖像的輸入，以及激光 測距系統(tǒng)12的保護(hù)窗口；根據(jù)使用特殊環(huán)境的不同選擇設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的方式；一般的耐壓、耐 高溫設(shè)計(jì)選擇藍(lán)寶石窗口，防紫外設(shè)計(jì)選擇石英窗口，防高能粒子福射，設(shè)計(jì)選擇Z字形福 射防護(hù)窗口等，實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境需要；在超低溫、高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng) 輻射等特殊環(huán)境，需要強(qiáng)化設(shè)計(jì)及加工制造；
[0101] η.計(jì)算機(jī)及軟件處理系統(tǒng)14,接收遠(yuǎn)心鏡頭及高速CXD(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng) 12、內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)13等獲得圖像、測距數(shù)據(jù)和內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的圖像、圖形 計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)部環(huán)境的控制，以及待識(shí)別目標(biāo)物的模式識(shí)別和數(shù)據(jù)輸出。
[0102] 如圖所示，用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述方法的裝置包括沿光路依次配置在精密絲杠8-1 和精密導(dǎo)軌8-2的激光器1、光束整形系統(tǒng)2、矩形光柵3、單色傅立葉變換透鏡4、頻譜選擇 器5、波片6、單色變倍率鏡頭7、高速振鏡9組成的正弦結(jié)構(gòu)光輸出系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)14及與 之相連的遠(yuǎn)心鏡頭及高速CXD(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng)12、內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)13組成的視 覺采集識(shí)別系統(tǒng)和與正弦結(jié)構(gòu)光輸出系統(tǒng)的輸出光路和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)的采集光路指 向的待識(shí)別目標(biāo)10 ;正弦結(jié)構(gòu)光輸出系統(tǒng)和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)配置在帶防輻射保護(hù)窗口 的保護(hù)外殼15內(nèi)；
[0103] 所述光束整形系統(tǒng)2位于激光器1的后面，對(duì)激光束擴(kuò)束、準(zhǔn)直、整形；矩形光柵3 位于光束整形系統(tǒng)2的后面，并使矩形光柵3定位在單色傅立葉變換透鏡4的前焦平面上； 波片6及頻譜選擇器5位于單色傅立葉變換透鏡4的后焦平面上，并定位于單色變倍率鏡 頭7的前焦平面上；高速振鏡9位于單色變倍率鏡頭7后方輸出光路上；遠(yuǎn)心鏡頭及高速 CXD(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng)12并列設(shè)置。具有結(jié)合激光測距系統(tǒng)，通過對(duì)輸出波面的標(biāo) 定，實(shí)現(xiàn)從低頻到高頻，高對(duì)比度，像場修正便捷，適合由近及遠(yuǎn)的大視場范圍測量的正弦 結(jié)構(gòu)光連續(xù)輸出，兼顧遠(yuǎn)近不同距離，不同特征的靜態(tài)、低速，以及高速運(yùn)動(dòng)物體的模式識(shí) 別的優(yōu)點(diǎn)。
[0104] 所述保護(hù)外殼15在正弦結(jié)構(gòu)光輸出系統(tǒng)前面和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)前面分別配置 有正弦結(jié)構(gòu)光輸出系統(tǒng)的Z字形輻射防護(hù)窗口 16-1和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)的Z字形輻射防 護(hù)窗口 16-2 ;所述Z字形福射防護(hù)窗口是一個(gè)兩端分別反向垂直伸出遮光端筒的遮光主 筒的兩拐角處分別配置一面鏡面與所述遮光端筒軸線和遮光主筒軸線呈45度夾角的反射 鏡。保護(hù)外殼15,帶有正弦結(jié)構(gòu)光掃描輸出保護(hù)窗口（Ζ字形福射防護(hù)窗口）16-1，及目標(biāo) 拍攝和測距接收輸入保護(hù)窗口（Ζ字形輻射防護(hù)窗口）16-2 ;固定所有元件，一般設(shè)計(jì)需要 防塵、防水保護(hù)，保證內(nèi)部元件穩(wěn)定工作及維持內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定作用；輸入、輸出保護(hù)窗口（Z 字形輻射防護(hù)窗口）16-1、保護(hù)窗口（Z字形輻射防護(hù)窗口）16-2,根據(jù)使用特殊環(huán)境的不 同選擇設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的方式；一般的耐壓、耐高溫設(shè)計(jì)選擇藍(lán)寶石窗口，防紫外設(shè)計(jì)選擇石英窗 口，防高能粒子輻射，設(shè)計(jì)選擇Z字形輻射防護(hù)窗口等，實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境需要，如超低溫、高真 空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射等特殊環(huán)境。即至少外端遮光端筒的外端部配 置有所述藍(lán)寶石窗口或者石英窗口或者其它其它透明材料窗口，也可以兩遮光端筒的外端 部都裝透明窗口。所述保護(hù)外殼與所述外端遮光端筒的外端部固裝或者其它其它透明材料 窗口。所述保護(hù)外殼與所述外端遮光端筒的外端部固裝或者與所述遮光主筒固裝。所述兩 遮光端筒和遮光主筒都位于所述保護(hù)外殼內(nèi)，或者僅一個(gè)遮光端筒位于保護(hù)外殼外。
[0105] 采用平行光投影輸出正弦結(jié)構(gòu)光，可直接對(duì)小尺寸目標(biāo)物體拍攝沖等視場，使用 單色變倍率鏡頭輸出小角度非平行光正弦結(jié)構(gòu)光，即可實(shí)現(xiàn)；大視場測量，調(diào)整單色變倍率 鏡頭7,輸出大角度非平行光正弦結(jié)構(gòu)光，可以實(shí)現(xiàn)；或者，使用高速振鏡9,大幅度擴(kuò)大視 場范圍，高速振鏡9定位于單色變倍率鏡頭7后面，用以輸出正弦結(jié)構(gòu)光投影拍攝。所有拍 攝目標(biāo)方式需要同一時(shí)刻的基線距離b及激光測距系統(tǒng)12確定的拍攝距離L。等結(jié)構(gòu)參數(shù) 支持；配合高放大率鏡頭輸出，加大投影面積；以及配合高速振鏡9的掃描，實(shí)現(xiàn)大尺寸、大 面積投影正弦結(jié)構(gòu)光輸出，配合遠(yuǎn)心鏡頭及高速CCD(CMOS) 11及圖像拼接技術(shù)，靜態(tài)拍攝 可以達(dá)到幾十米的巨大范圍，能夠兼顧遠(yuǎn)近不同距離的低速物體模式識(shí)別，以及高速運(yùn)動(dòng) 目標(biāo)的捕捉及模式識(shí)別；獲得的利用單頻、雙頻、三頻的正弦結(jié)構(gòu)光投影拍攝的目標(biāo)圖像， 不會(huì)出現(xiàn)頻率混疊，容易實(shí)現(xiàn)濾波算法設(shè)計(jì)，減少軟件運(yùn)算量，減輕圖像處理CPU的運(yùn)算壓 力，提高識(shí)別率；將零頻光能量轉(zhuǎn)移到一級(jí)、二級(jí)頻譜、三級(jí)頻譜，成倍提高局部大曲率位置 的條紋密度及正弦結(jié)構(gòu)光的對(duì)比度，利于獲取遠(yuǎn)距離及大尺寸的清晰圖像，提高模式識(shí)別 率；結(jié)合激光測距系統(tǒng)12,實(shí)現(xiàn)在不同距離位置波像差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，有效提高拍攝對(duì)象的 清晰度，提高識(shí)別精度。
[0106] 所述遠(yuǎn)心鏡頭及高速C⑶或CM0S11、激光測距系統(tǒng)12同高速振鏡9構(gòu)成拍攝基線 b，通過激光測距系統(tǒng)12,獲得目標(biāo)的實(shí)時(shí)拍攝距離L。等結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)和目標(biāo)圖像，并將數(shù) 據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)14,進(jìn)行模式識(shí)別處理并存儲(chǔ)；內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)13將設(shè) 備內(nèi)部的各個(gè)參數(shù)，如溫度、壓力等數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)14,并受其控制，實(shí) 現(xiàn)內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定，保證各個(gè)元件的正常工作。
[0107] 當(dāng)采用本發(fā)明裝置進(jìn)行視覺識(shí)別時(shí)：
[0108] a.首先調(diào)整激光器1、光束整形系統(tǒng)2、矩形光柵3、單色傅立葉變換透鏡4、頻譜 選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7、高速振鏡9等器件置于精密絲杠 8-1和精密導(dǎo)軌8-2 上；遠(yuǎn)心鏡頭及高速C⑶(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng)12按照設(shè)計(jì)的基線距離b確定安裝位置； 內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)13、計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)14等上述元器件均安裝在帶有保護(hù)窗口（Z 字形輻射防護(hù)窗口）16-1、保護(hù)窗口（Z字形輻射防護(hù)窗口）16-2的保護(hù)外殼15內(nèi)，達(dá)到普 通及特殊環(huán)境使用要求；
[0109] b.激光器1選擇圓光斑輸出的單模激光器，便于波面測量，及單色傅立葉變換透 鏡4、波片6、單色變倍率鏡頭7的單色匹配設(shè)計(jì)。當(dāng)選擇不同波長的激光器時(shí)，需要對(duì)應(yīng)設(shè) 計(jì)相匹配的單色傅立葉變換透鏡4、波片6、單色變倍率鏡頭7 ;
[0110] C.光束整形系統(tǒng)2,采用激光擴(kuò)束器設(shè)計(jì)方式，降低入射到矩形光柵3的功率密 度，降低光柵損傷，便于提高激光器1的功率；激光束腰位置的小孔，要求優(yōu)于微米級(jí)的圓 度，且無毛刺；
[0111] d.矩形光柵3,要求占空比不等于1 : 1，便利使用一級(jí)頻譜、二級(jí)頻譜及三級(jí)頻 譜，充分利用其倍頻關(guān)系，快速提高空間頻率；目標(biāo)簡單情況，矩形光柵也可方便的更換為 正弦光柵，此時(shí)，去掉頻譜選擇器5即可；
[0112] e.單色傅立葉變換透鏡4和單色變倍率鏡頭7,均需配合激光器1的波長設(shè)計(jì)，實(shí) 現(xiàn)空間光學(xué)傅里葉變換，同時(shí)兼顧孔徑和視場要求；
[0113] f.頻譜選擇器5,包括電、磁或光尋址空間光調(diào)制器SLM、數(shù)字式微反射鏡器件 DMD、機(jī)械式小孔均可，以方便選擇一級(jí)頻譜、二級(jí)頻譜及三級(jí)頻譜，并對(duì)零級(jí)頻譜略有衰減 即可；在不使用矩形光柵3,以及不需要頻譜選擇的條件下，可去掉；選擇單頻、雙頻、三頻 的正弦結(jié)構(gòu)光投影，不會(huì)出現(xiàn)頻率混疊，容易實(shí)現(xiàn)濾波算法設(shè)計(jì)，減少軟件運(yùn)算量，減輕圖 像處理CPU的運(yùn)算壓力，提高識(shí)別率；
[0114] g.波片6,配合激光器1的波長選擇波長，放置在零級(jí)頻譜位置，配合選擇一級(jí)頻 譜、二級(jí)頻譜及三級(jí)頻譜，對(duì)應(yīng)選擇1/4波片或1/2波片，將零級(jí)頻譜耦合進(jìn)一級(jí)頻譜、二級(jí) 頻譜及三級(jí)頻譜，成倍提高局部大曲率位置的條紋密度及正弦結(jié)構(gòu)光的對(duì)比度，有效利用 零級(jí)頻譜能量，利于獲取遠(yuǎn)距離及大尺寸的清晰圖像，提高模式識(shí)別率；
[0115] h.高速振鏡9,大幅度擴(kuò)大視場范圍，高速振鏡9定位于單色變倍率鏡頭7后面， 實(shí)現(xiàn)大尺寸、大面積投影正弦結(jié)構(gòu)光輸出，配合遠(yuǎn)心鏡頭及圖像拼接技術(shù)，靜態(tài)拍攝可以達(dá) 到幾十米的巨大范圍，能夠兼顧遠(yuǎn)近不同距離的低速物體模式識(shí)別，以及高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的 捕捉及模式識(shí)別；
[0116] i.精密絲杠8-1、精密導(dǎo)軌8-2,調(diào)整及固定激光器1、光束整形系統(tǒng)2、矩形光柵 3、單色傅立葉變換透鏡4、頻譜選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7、高速振鏡9等器件；
[0117] j.遠(yuǎn)心鏡頭及高速CXD(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng)12并列設(shè)置，同高速振鏡9構(gòu)成 拍攝基線b，通過激光測距系統(tǒng)12,獲得目標(biāo)的實(shí)時(shí)拍攝距離L。等結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)和目標(biāo)圖 像，實(shí)現(xiàn)在不同距離位置波像差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，有效提高拍攝對(duì)象的清晰度，提高識(shí)別精度； 并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)14,進(jìn)行模式識(shí)別處理并存儲(chǔ)；
[0118] k.內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)13獲得設(shè)備內(nèi)部的各個(gè)參數(shù)，如溫度、壓力等數(shù)據(jù)，傳輸至 計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)14,并受其控制，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定，保證各個(gè)元件的正常工作；
[0119] 1.保護(hù)外殼15,帶有正弦結(jié)構(gòu)光掃描輸出保護(hù)窗口，及目標(biāo)拍攝和測距接收輸入 保護(hù)窗口；固定所有元件，一般設(shè)計(jì)具有防塵、防水保護(hù)功能，保證內(nèi)部元件穩(wěn)定工作及維 持內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定作用；特別是，如超低溫、高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射 等特殊環(huán)境，需要針對(duì)性設(shè)計(jì)；
[0120] m.保護(hù)窗口（Z字形輻射防護(hù)窗口）16-1、保護(hù)窗口（Z字形輻射防護(hù)窗口）16-2， 是輸出、輸入保護(hù)窗口，實(shí)現(xiàn)正弦結(jié)構(gòu)光的投影輸出，識(shí)別目標(biāo)對(duì)象圖像的輸入，以及激光 測距系統(tǒng)12的保護(hù)窗口；根據(jù)使用特殊環(huán)境的不同選擇設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的方式；一般的耐壓、耐 高溫設(shè)計(jì)選擇藍(lán)寶石窗口，防紫外設(shè)計(jì)選擇石英窗口，防高能粒子福射，設(shè)計(jì)選擇Z字形福 射防護(hù)窗口等，實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境需要；在超低溫、高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng) 輻射等特殊環(huán)境，需要強(qiáng)化設(shè)計(jì)及加工制造；
[0121] η.計(jì)算機(jī)及軟件處理系統(tǒng)14,接收遠(yuǎn)心鏡頭及高速CXD(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng) 12、內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)13等獲得圖像、測距數(shù)據(jù)和內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的圖像、圖形 計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)部環(huán)境的控制，以及待識(shí)別目標(biāo)物的模式識(shí)別和數(shù)據(jù)輸出。
[0122] 具體是使用占空比精確控制制造的矩形光柵，進(jìn)行空間分頻，結(jié)合頻譜選擇器，同 級(jí)次頻譜合成，利用波片將零頻光能量轉(zhuǎn)移到奇數(shù)次頻譜，提高高空間頻率正弦結(jié)構(gòu)光的 對(duì)比度，結(jié)合針對(duì)單一波長設(shè)計(jì)的單色專用鏡頭，有效降低波像差；結(jié)合激光測距系統(tǒng)，通 過對(duì)輸出波面的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)從低頻到高頻，高對(duì)比度，像場修正便捷，適合由近及遠(yuǎn)的大視 場范圍測量的正弦結(jié)構(gòu)光連續(xù)輸出，兼顧遠(yuǎn)近不同距離，不同特征的靜態(tài)、低速，以及高速 運(yùn)動(dòng)物體的模式識(shí)別。
[0123] 使用輸出的二維正弦結(jié)構(gòu)光，直接投影至被待識(shí)別目標(biāo)，均勻分布的正弦結(jié)構(gòu)光 受到被記錄物體的表面形貌調(diào)制，直接產(chǎn)生變形的柵線，將目標(biāo)物體的相位信息用變形的 柵線記錄為強(qiáng)度分布編碼，原理如下：
[0124] 若采用縫寬a，光柵常數(shù)d，長L的矩形光柵，則光柵透過率表示為：
[0125]
(1)[0126] 經(jīng)光學(xué)空間傅里葉變換后的頻譜為：
[0128] 再經(jīng)光學(xué)空間傅里葉變換后的投影輸出圖像構(gòu)成是：[0129]
[0127] ,、 (2)
(3)
[0130] 將根據(jù)（3)式原理，將獲得的正弦結(jié)構(gòu)光投影到待識(shí)別三維物體表面，被表面形 貌調(diào)制后的變形光柵條紋為：
[0131] (4)
[0132] 物體的高度信息，通過遠(yuǎn)心鏡頭，被高速CXD (CMOS)記錄為疏密不同的條紋信息， 實(shí)現(xiàn)相位編碼記錄：
[0133] (5)
[0134] 獲得的數(shù)字化圖像，投影的空間頻率結(jié)構(gòu)單一，容易快速的通過軟件濾波，減輕圖 像處理CPU的壓力，容易快速實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)、多模式識(shí)別。
[0135] 由（3)式，根據(jù)光譜級(jí)次n，可知投影正弦結(jié)構(gòu)光條紋密度比為1 : 2 : 3 ;目標(biāo)物 體的高度信息能夠分別用一級(jí)，二級(jí)，以及三級(jí)光譜的正弦結(jié)構(gòu)光記錄，濾波算法容易針對(duì) 單一的目標(biāo)頻率設(shè)計(jì)。
[0136] 若采用401p/mm矩形光柵，則輸出二維正弦結(jié)構(gòu)光的柵線密度可達(dá)401p/mm以上， 物體的細(xì)節(jié)位置，局部利用2倍頻、3倍頻倍增條紋密度，投影二維正弦結(jié)構(gòu)光的柵線密度 可達(dá)1201p/mm以上，結(jié)合變倍率鏡頭輸出，柵線密度還能繼續(xù)大幅度提高。
[0137] 若為低速物體的模式識(shí)別，使用高速振鏡掃描、遠(yuǎn)心鏡頭及圖像拼接技術(shù)，能夠?qū)?現(xiàn)大尺寸物體拍攝分析；若為高速運(yùn)動(dòng)物體，可以配合高速CCD(CMOS)實(shí)現(xiàn)。
[0138] 靜態(tài)及動(dòng)態(tài)目標(biāo)模式識(shí)別，根據(jù)目標(biāo)的分辨率及拍攝范圍，采用可變基線距離b 方式，或者固定基線距離b方式，確定高速振鏡同遠(yuǎn)心鏡頭及高速CXD (CMOS)之間的基線距 離b ;以及通過激光測距系統(tǒng)確定同一時(shí)刻的拍攝距離L。;為模式識(shí)別提供拍攝的基礎(chǔ)結(jié) 構(gòu)數(shù)據(jù)；
[0139] 特殊環(huán)境應(yīng)用，如超低溫、高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射等特殊 環(huán)境；需要配合相應(yīng)的保護(hù)外殼，以及保護(hù)窗口實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，通過相應(yīng)的內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)元件的正常、穩(wěn)定工作。
[0140] 本發(fā)明裝置包括：激光器1、光束整形系統(tǒng)2、矩形光柵3、單色傅立葉變換透鏡4、 頻譜選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7、精密絲杠8-1、精密導(dǎo)軌8-2、高速振鏡9、待識(shí)別 目標(biāo)10、遠(yuǎn)心鏡頭及高速CXD(CMOS) 11、激光測距系統(tǒng)12、內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)13、計(jì)算機(jī)及 軟件分析系統(tǒng)14、保護(hù)外殼15、保護(hù)窗口（Z字形福射防護(hù)窗口）16-1、保護(hù)窗口（Z字形福 射防護(hù)窗口）16-2。
[0141] 光束整形系統(tǒng)位于激光器的后面，對(duì)激光束擴(kuò)束、準(zhǔn)直、整形；矩形光柵位于光束 整形系統(tǒng)的后面，并使矩形光柵定位在單色傅立葉變換透鏡的前焦平面上；波片及頻譜選 擇器位于單色傅立葉變換透鏡的后焦平面上，并定位于單色變倍率鏡頭的前焦平面上；高 速振鏡位于單色變倍率鏡頭后方輸出光路上；上述元器件全部位于精密絲杠和精密導(dǎo)軌組 上；
[0142] 遠(yuǎn)心鏡頭及高速CXD(CMOS)、激光測距系統(tǒng)并列設(shè)置，同高速振鏡構(gòu)成拍攝基線 b，通過激光測距系統(tǒng)，獲得目標(biāo)的實(shí)時(shí)拍攝距離L。等結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)和目標(biāo)圖像，并將數(shù)據(jù) 傳輸至計(jì)算機(jī)及軟件分析系統(tǒng)，進(jìn)行模式識(shí)別處理并存儲(chǔ)；
[0143] 獲得的利用單頻、雙頻、三頻的正弦結(jié)構(gòu)光投影拍攝的目標(biāo)圖像，不會(huì)出現(xiàn)頻率混 疊，容易實(shí)現(xiàn)濾波算法設(shè)計(jì)，減少軟件運(yùn)算量，減輕圖像處理CPU的運(yùn)算壓力，提高識(shí)別率； 將零頻光能量轉(zhuǎn)移到一級(jí)、二級(jí)頻譜、三級(jí)頻譜，成倍提高局部大曲率位置的條紋密度及正 弦結(jié)構(gòu)光的對(duì)比度，利于獲取遠(yuǎn)距離及大尺寸的清晰圖像，提高模式識(shí)別率；結(jié)合激光測 距系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在不同距離位置波像差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，有效提高拍攝對(duì)象的清晰度，提高識(shí)別精 度；
[0144] 內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)將設(shè)備內(nèi)部的各個(gè)參數(shù)，如溫度、壓力等數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)及 軟件分析系統(tǒng)，并受其控制，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定，保證各個(gè)元件的正常工作；
[0145] 保護(hù)外殼，帶有正弦結(jié)構(gòu)光掃描輸出保護(hù)窗口，及目標(biāo)拍攝和測距接收輸入保護(hù) 窗口；固定所有元件，一般設(shè)計(jì)需要防塵、防水保護(hù)，保證內(nèi)部元件穩(wěn)定工作及維持內(nèi)部環(huán) 境穩(wěn)定作用；特別是，如超低溫、高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射等特殊環(huán) 境；
[0146] 輸入、輸出保護(hù)窗口，根據(jù)使用特殊環(huán)境的不同選擇設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的方式；一般的耐 壓、耐高溫設(shè)計(jì)選擇藍(lán)寶石窗口，防紫外設(shè)計(jì)選擇石英窗口，防高能粒子輻射，設(shè)計(jì)選擇Z 字形輻射防護(hù)窗口等，實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境需要，如超低溫、高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐 蝕、強(qiáng)輻射等特殊環(huán)境。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種普通及特殊環(huán)境的人工智能機(jī)器視覺識(shí)別方法，其特征在于利用沿光路依次配 置在精密絲杠（8-1)和精密導(dǎo)軌（8-2)的激光器（1)、光束整形系統(tǒng)（2)、矩形光柵（3)、單 色傅立葉變換透鏡（4)、頻譜選擇器（5)、波片(6)、單色變倍率鏡頭（7)、高速振鏡（9)組成 的光輸出系統(tǒng)向待識(shí)別目標(biāo)（10)投射正弦結(jié)構(gòu)光；由計(jì)算機(jī)（14)及與之相連的遠(yuǎn)心鏡頭 及高速CCD或CMOS (11)、激光測距系統(tǒng)（12)、內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)（13)組成的視覺采集識(shí)別 系統(tǒng)對(duì)待識(shí)別目標(biāo)（10)進(jìn)行視覺采集識(shí)別；通過內(nèi)置光輸出系統(tǒng)和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)的 保護(hù)外殼（15)配置防輻射保護(hù)窗口對(duì)光輸出系統(tǒng)和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行防輻射保護(hù)； 其中所述光束整形系統(tǒng)（2)位于激光器（1)的后面，對(duì)激光束擴(kuò)束、準(zhǔn)直、整形；矩形光 柵（3)位于光束整形系統(tǒng)（2)的后面，并使矩形光柵（3)定位在單色傅立葉變換透鏡（4) 的前焦平面上；波片（6)及頻譜選擇器（5)位于單色傅立葉變換透鏡（4)的后焦平面上，并 定位于單色變倍率鏡頭（7)的前焦平面上；高速振鏡（9)位于單色變倍率鏡頭（7)后方輸 出光路上；遠(yuǎn)心鏡頭及高速C⑶或CMOS (11)、激光測距系統(tǒng)（12)并列設(shè)置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述保護(hù)外殼（15)在光輸出系統(tǒng)前面和視覺 采集識(shí)別系統(tǒng)前面分別配置有光輸出系統(tǒng)的Z字形輻射防護(hù)窗口（16-1)和視覺采集識(shí)別 系統(tǒng)的Z字形輻射防護(hù)窗口（16-2); 采用平行光投影輸出正弦結(jié)構(gòu)光，可直接對(duì)小尺寸目標(biāo)物體拍攝；中等視場，使用單色 變倍率鏡頭輸出小角度非平行光正弦結(jié)構(gòu)光，即可實(shí)現(xiàn)；大視場測量，調(diào)整單色變倍率鏡頭 (7)，輸出大角度非平行光正弦結(jié)構(gòu)光，可以實(shí)現(xiàn)；或者，使用高速振鏡（9)，大幅度擴(kuò)大視 場范圍，高速振鏡（9)定位于單色變倍率鏡頭（7)后面，用以輸出正弦結(jié)構(gòu)光投影拍攝。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于所述Z字形輻射防護(hù)窗口是一個(gè)兩端分別反 向垂直伸出遮光端筒的遮光主筒的兩拐角處分別配置一面鏡面與所述遮光端筒軸線和遮 光主筒軸線呈45度夾角的反射鏡。4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述方法，其特征在于所述遠(yuǎn)心鏡頭及高速CCD或 CMOS(Il)、激光測距系統(tǒng)（12)同高速振鏡（9)構(gòu)成拍攝基線（b)，通過激光測距系統(tǒng)（12)， 獲得目標(biāo)的實(shí)時(shí)拍攝距離（L。）結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)和目標(biāo)圖像，并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)（14)，進(jìn) 行模式識(shí)別處理并存儲(chǔ)；內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)（13)將設(shè)備內(nèi)部的各個(gè)參數(shù)，如溫度、壓力數(shù) 據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)（14)，并受其控制，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定，保證各個(gè)元件的正常工作。5. 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述方法，其特征在于 a. 首先調(diào)整激光器（1)、光束整形系統(tǒng)（2)、矩形光柵（3)、單色傅立葉變換透鏡（4)、 頻譜選擇器（5)、波片（6)、單色變倍率鏡頭（7)、高速振鏡（9)置于精密絲杠（8-1)和精密 導(dǎo)軌（8-2)上；遠(yuǎn)心鏡頭及高速C⑶或CMOS(Il)、激光測距系統(tǒng)（12)按照設(shè)計(jì)的基線距 離（b)確定安裝位置；內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)（13)、計(jì)算機(jī)（14)安裝在帶Z字形輻射防護(hù)窗口 (16-1)、Z字形輻射防護(hù)窗口（16-2)的保護(hù)外殼（15)內(nèi)，達(dá)到普通及特殊環(huán)境使用要求； b. 激光器（1)選擇圓光斑輸出的單模激光器，便于波面測量，及單色傅立葉變換透鏡 (4)、波片（6)、單色變倍率鏡頭（7)的單色匹配設(shè)計(jì)；當(dāng)選擇不同波長的激光器時(shí)，需要對(duì) 應(yīng)設(shè)計(jì)相匹配的單色傅立葉變換透鏡（4)、波片(6)、單色變倍率鏡頭（7); c. 光束整形系統(tǒng)（2)采用激光擴(kuò)束器設(shè)計(jì)方式，降低入射到矩形光柵（3)的功率密 度，降低光柵損傷，便于提高激光器（1)的功率；激光束腰位置的小孔，要求優(yōu)于微米級(jí)的 圓度，且無毛刺； d. 矩形光柵（3)要求占空比不等于I : 1，便利使用一級(jí)頻譜、二級(jí)頻譜及三級(jí)頻譜， 充分利用其倍頻關(guān)系，快速提高空間頻率；目標(biāo)簡單情況，矩形光柵也可方便的更換為正弦 光柵，此時(shí)，去掉頻譜選擇器（5)即可； e. 單色傅立葉變換透鏡（4)和單色變倍率鏡頭（7)均需配合激光器（1)的波長設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)空間光學(xué)傅里葉變換，同時(shí)兼顧孔徑和視場要求； f. 頻譜選擇器（5)包括電、磁或光尋址空間光調(diào)制器（SLM)、數(shù)字式微反射鏡器件 (DMD)、機(jī)械式小孔均可，以方便選擇一級(jí)頻譜、二級(jí)頻譜及三級(jí)頻譜，并對(duì)零級(jí)頻譜略有衰 減即可；在不使用矩形光柵（3)，以及不需要頻譜選擇的條件下，可去掉；選擇單頻、雙頻、 三頻的正弦結(jié)構(gòu)光投影，不會(huì)出現(xiàn)頻率混疊，容易實(shí)現(xiàn)濾波算法設(shè)計(jì)，減少軟件運(yùn)算量，減 輕圖像處理器（CPU)的運(yùn)算壓力，提高識(shí)別率； g. 波片（6)配合激光器（1)的波長選擇波長，放置在零級(jí)頻譜位置，配合選擇一級(jí)頻 譜、二級(jí)頻譜及三級(jí)頻譜，對(duì)應(yīng)選擇1/4波片或1/2波片，將零級(jí)頻譜耦合進(jìn)一級(jí)頻譜、二級(jí) 頻譜及三級(jí)頻譜，成倍提高局部大曲率位置的條紋密度及正弦結(jié)構(gòu)光的對(duì)比度，有效利用 零級(jí)頻譜能量，利于獲取遠(yuǎn)距離及大尺寸的清晰圖像，提高模式識(shí)別率； h. 高速振鏡（9)大幅度擴(kuò)大視場范圍，高速振鏡（9)定位于單色變倍率鏡頭（7)后面， 實(shí)現(xiàn)大尺寸、大面積投影正弦結(jié)構(gòu)光輸出，配合遠(yuǎn)心鏡頭及圖像拼接技術(shù)，靜態(tài)拍攝可以達(dá) 到幾十米的巨大范圍，能夠兼顧遠(yuǎn)近不同距離的低速物體模式識(shí)別，以及高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的 捕捉及模式識(shí)別； i. 精密絲杠（8-1)、精密導(dǎo)軌（8-2)，調(diào)整及固定激光器（1)、光束整形系統(tǒng)（2)、矩形光 柵（3)、單色傅立葉變換透鏡（4)、頻譜選擇器（5)、波片(6)、單色變倍率鏡頭（7)、高速振鏡 (9)； j. 遠(yuǎn)心鏡頭及高速CCD或CMOS(Il)、激光測距系統(tǒng)（12)并列設(shè)置，同高速振鏡（9)構(gòu) 成拍攝基線（b)，通過激光測距系統(tǒng)（12)，獲得目標(biāo)的實(shí)時(shí)拍攝距離（L。）結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)和 目標(biāo)圖像，實(shí)現(xiàn)在不同距離位置波像差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，有效提高拍攝對(duì)象的清晰度，提高識(shí)別 精度；并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)（14)，進(jìn)行模式識(shí)別處理并存儲(chǔ)； k. 內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)（13)獲得設(shè)備內(nèi)部的各個(gè)參數(shù)，如溫度、壓力數(shù)據(jù)，傳輸至計(jì)算 機(jī)14,并受其控制，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定，保證各個(gè)元件的正常工作； l. 保護(hù)外殼（15)帶有正弦結(jié)構(gòu)光掃描輸出保護(hù)窗口，及目標(biāo)拍攝和測距接收輸入保 護(hù)窗口；固定所有元件，一般設(shè)計(jì)具有防塵、防水保護(hù)功能，保證內(nèi)部元件穩(wěn)定工作及維持 內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定作用；特別是，如超低溫、高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射等 特殊環(huán)境，需要針對(duì)性設(shè)計(jì)； m. Z字形福射防護(hù)窗口（16-1)、Z字形福射防護(hù)窗口（16-2)是輸出、輸入保護(hù)窗口， 實(shí)現(xiàn)正弦結(jié)構(gòu)光的投影輸出，識(shí)別目標(biāo)對(duì)象圖像的輸入，以及激光測距系統(tǒng)（12)的保護(hù)窗 口；根據(jù)使用特殊環(huán)境的不同選擇設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的方式；一般的耐壓、耐高溫設(shè)計(jì)選擇藍(lán)寶石 窗口，防紫外設(shè)計(jì)選擇石英窗口，防高能粒子輻射，設(shè)計(jì)選擇Z字形輻射防護(hù)窗口等，實(shí)現(xiàn) 特殊環(huán)境需要；在超低溫、高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射等特殊環(huán)境，需 要強(qiáng)化設(shè)計(jì)及加工制造； η.計(jì)算機(jī)（14)接收遠(yuǎn)心鏡頭及高速CCD或CMOS (11)、激光測距系統(tǒng)（12)、內(nèi)部環(huán)境控 制系統(tǒng)（13)獲得圖像、測距數(shù)據(jù)和內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的圖像、圖形計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)部 環(huán)境的控制，以及待識(shí)別目標(biāo)物的模式識(shí)別和數(shù)據(jù)輸出。6. 用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的裝置，其特征在于包括沿光路依次配置在精密絲杠 (8-1)和精密導(dǎo)軌（8-2)的激光器（1)、光束整形系統(tǒng)（2)、矩形光柵（3)、單色傅立葉變換 透鏡（4)、頻譜選擇器（5)、波片（6)、單色變倍率鏡頭（7)、高速振鏡（9)組成的光輸出系 統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)（14)及與之相連的遠(yuǎn)心鏡頭及高速CCD或CMOS(Il)、激光測距系統(tǒng)（12)、內(nèi) 部環(huán)境控制系統(tǒng)（13)組成的視覺采集識(shí)別系統(tǒng)和與光輸出系統(tǒng)的輸出光路和視覺采集識(shí) 別系統(tǒng)的采集光路指向的待識(shí)別目標(biāo)（10);光輸出系統(tǒng)和視覺采集識(shí)別系統(tǒng)配置在帶防 福射保護(hù)窗口的保護(hù)外殼（15)內(nèi)； 所述光束整形系統(tǒng)（2)位于激光器（1)的后面，對(duì)激光束擴(kuò)束、準(zhǔn)直、整形；矩形光柵 (3) 位于光束整形系統(tǒng)（2)的后面，并使矩形光柵（3)定位在單色傅立葉變換透鏡（4)的前 焦平面上；波片（6)及頻譜選擇器（5)位于單色傅立葉變換透鏡（4)的后焦平面上，并定位 于單色變倍率鏡頭（7)的前焦平面上；高速振鏡（9)位于單色變倍率鏡頭（7)后方輸出光 路上；遠(yuǎn)心鏡頭及高速C⑶或CMOS(Il)、激光測距系統(tǒng)（12)并列設(shè)置。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述裝置，其特征在于所述保護(hù)外殼（15)在光輸出系統(tǒng)前面和視覺 采集識(shí)別系統(tǒng)前面分別配置有光輸出系統(tǒng)的Z字形輻射防護(hù)窗口（16-1)和視覺采集識(shí)別 系統(tǒng)的Z字形輻射防護(hù)窗口（16-2); 采用平行光投影輸出正弦結(jié)構(gòu)光，可直接對(duì)小尺寸目標(biāo)物體拍攝；中等視場，使用單色 變倍率鏡頭輸出小角度非平行光正弦結(jié)構(gòu)光，即可實(shí)現(xiàn)；大視場測量，調(diào)整單色變倍率鏡頭 (7)，輸出大角度非平行光正弦結(jié)構(gòu)光，可以實(shí)現(xiàn)；或者，使用高速振鏡（9)，大幅度擴(kuò)大視 場范圍，高速振鏡（9)定位于單色變倍率鏡頭（7)后面，用以輸出正弦結(jié)構(gòu)光投影拍攝。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述裝置，其特征在于所述Z字形輻射防護(hù)窗口是一個(gè)兩端分別反 向垂直伸出遮光端筒的遮光主筒的兩拐角處分別配置一面鏡面與所述遮光端筒軸線和遮 光主筒軸線呈45度夾角的反射鏡。9. 根據(jù)權(quán)利要求6-8任一所述裝置，其特征在于所述遠(yuǎn)心鏡頭及高速CCD或 CMOS(Il)、激光測距系統(tǒng)（12)同高速振鏡（9)構(gòu)成拍攝基線（b)，通過激光測距系統(tǒng)（12)， 獲得目標(biāo)的實(shí)時(shí)拍攝距離（L。）結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)和目標(biāo)圖像，并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)（14)，進(jìn) 行模式識(shí)別處理并存儲(chǔ)；內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)（13)將設(shè)備內(nèi)部的各個(gè)參數(shù)，如溫度、壓力數(shù) 據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)（14)，并受其控制，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定，保證各個(gè)元件的正常工作。10. 根據(jù)權(quán)利要求6-8任一所述裝置，其特征在于具備如下探測方法： a. 首先調(diào)整激光器（1)、光束整形系統(tǒng)（2)、矩形光柵（3)、單色傅立葉變換透鏡（4)、 頻譜選擇器（5)、波片（6)、單色變倍率鏡頭（7)、高速振鏡（9)置于精密絲杠（8-1)和精密 導(dǎo)軌（8-2)上；遠(yuǎn)心鏡頭及高速C⑶或CMOS(Il)、激光測距系統(tǒng)（12)按照設(shè)計(jì)的基線距 離（b)確定安裝位置；內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)（13)、計(jì)算機(jī)（14)安裝在帶Z字形輻射防護(hù)窗口 (16-1)、Z字形輻射防護(hù)窗口（16-2)的保護(hù)外殼（15)內(nèi)，達(dá)到普通及特殊環(huán)境使用要求； b. 激光器（1)選擇圓光斑輸出的單模激光器，便于波面測量，及單色傅立葉變換透鏡 (4) 、波片（6)、單色變倍率鏡頭（7)的單色匹配設(shè)計(jì)；當(dāng)選擇不同波長的激光器時(shí)，需要對(duì) 應(yīng)設(shè)計(jì)相匹配的單色傅立葉變換透鏡（4)、波片(6)、單色變倍率鏡頭（7); c. 光束整形系統(tǒng)（2)采用激光擴(kuò)束器設(shè)計(jì)方式，降低入射到矩形光柵（3)的功率密 度，降低光柵損傷，便于提高激光器（1)的功率；激光束腰位置的小孔，要求優(yōu)于微米級(jí)的 圓度，且無毛刺； d. 矩形光柵（3)要求占空比不等于1 : 1，便利使用一級(jí)頻譜、二級(jí)頻譜及三級(jí)頻譜， 充分利用其倍頻關(guān)系，快速提高空間頻率；目標(biāo)簡單情況，矩形光柵也可方便的更換為正弦 光柵，此時(shí)，去掉頻譜選擇器（5)即可； e. 單色傅立葉變換透鏡（4)和單色變倍率鏡頭（7)均需配合激光器（1)的波長設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)空間光學(xué)傅里葉變換，同時(shí)兼顧孔徑和視場要求； f. 頻譜選擇器（5)包括電、磁或光尋址空間光調(diào)制器（SLM)、數(shù)字式微反射鏡器件 (DMD)、機(jī)械式小孔均可，以方便選擇一級(jí)頻譜、二級(jí)頻譜及三級(jí)頻譜，并對(duì)零級(jí)頻譜略有衰 減即可；在不使用矩形光柵（3)，以及不需要頻譜選擇的條件下，可去掉；選擇單頻、雙頻、 三頻的正弦結(jié)構(gòu)光投影，不會(huì)出現(xiàn)頻率混疊，容易實(shí)現(xiàn)濾波算法設(shè)計(jì)，減少軟件運(yùn)算量，減 輕圖像處理器（CPU)的運(yùn)算壓力，提高識(shí)別率； g. 波片（6)配合激光器（1)的波長選擇波長，放置在零級(jí)頻譜位置，配合選擇一級(jí)頻 譜、二級(jí)頻譜及三級(jí)頻譜，對(duì)應(yīng)選擇1/4波片或1/2波片，將零級(jí)頻譜耦合進(jìn)一級(jí)頻譜、二級(jí) 頻譜及三級(jí)頻譜，成倍提高局部大曲率位置的條紋密度及正弦結(jié)構(gòu)光的對(duì)比度，有效利用 零級(jí)頻譜能量，利于獲取遠(yuǎn)距離及大尺寸的清晰圖像，提高模式識(shí)別率； h. 高速振鏡（9)大幅度擴(kuò)大視場范圍，高速振鏡（9)定位于單色變倍率鏡頭（7)后面， 實(shí)現(xiàn)大尺寸、大面積投影正弦結(jié)構(gòu)光輸出，配合遠(yuǎn)心鏡頭及圖像拼接技術(shù)，靜態(tài)拍攝可以達(dá) 到幾十米的巨大范圍，能夠兼顧遠(yuǎn)近不同距離的低速物體模式識(shí)別，以及高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的 捕捉及模式識(shí)別； i. 精密絲杠（8-1)、精密導(dǎo)軌（8-2)，調(diào)整及固定激光器（1)、光束整形系統(tǒng)（2)、矩形光 柵（3)、單色傅立葉變換透鏡（4)、頻譜選擇器（5)、波片(6)、單色變倍率鏡頭（7)、高速振鏡 (9)； j. 遠(yuǎn)心鏡頭及高速CCD或CMOS(Il)、激光測距系統(tǒng)（12)并列設(shè)置，同高速振鏡（9)構(gòu) 成拍攝基線（b)，通過激光測距系統(tǒng)（12)，獲得目標(biāo)的實(shí)時(shí)拍攝距離（L。）結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)和 目標(biāo)圖像，實(shí)現(xiàn)在不同距離位置波像差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，有效提高拍攝對(duì)象的清晰度，提高識(shí)別 精度；并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)（14)，進(jìn)行模式識(shí)別處理并存儲(chǔ)； k. 內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)（13)獲得設(shè)備內(nèi)部的各個(gè)參數(shù)，如溫度、壓力數(shù)據(jù)，傳輸至計(jì)算 機(jī)14,并受其控制，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定，保證各個(gè)元件的正常工作； l. 保護(hù)外殼（15)帶有正弦結(jié)構(gòu)光掃描輸出保護(hù)窗口，及目標(biāo)拍攝和測距接收輸入保 護(hù)窗口；固定所有元件，一般設(shè)計(jì)具有防塵、防水保護(hù)功能，保證內(nèi)部元件穩(wěn)定工作及維持 內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定作用；特別是，如超低溫、高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射等 特殊環(huán)境，需要針對(duì)性設(shè)計(jì)； m. Z字形福射防護(hù)窗口（16-1)、Z字形福射防護(hù)窗口（16-2)是輸出、輸入保護(hù)窗口， 實(shí)現(xiàn)正弦結(jié)構(gòu)光的投影輸出，識(shí)別目標(biāo)對(duì)象圖像的輸入，以及激光測距系統(tǒng)（12)的保護(hù)窗 口；根據(jù)使用特殊環(huán)境的不同選擇設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的方式；一般的耐壓、耐高溫設(shè)計(jì)選擇藍(lán)寶石 窗口，防紫外設(shè)計(jì)選擇石英窗口，防高能粒子輻射，設(shè)計(jì)選擇Z字形輻射防護(hù)窗口等，實(shí)現(xiàn) 特殊環(huán)境需要；在超低溫、高真空、微重力、超高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射等特殊環(huán)境，需 要強(qiáng)化設(shè)計(jì)及加工制造； η.計(jì)算機(jī)（14)接收遠(yuǎn)心鏡頭及高速CCD或CMOS (11)、激光測距系統(tǒng)（12)、內(nèi)部環(huán)境控 制系統(tǒng)（13)獲得圖像、測距數(shù)據(jù)和內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的圖像、圖形計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)部 環(huán)境的控制，以及待識(shí)別目標(biāo)物的模式識(shí)別和數(shù)據(jù)輸出。
【文檔編號(hào)】G01C11/00GK105890575SQ201410756501
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2014年12月10日
【發(fā)明人】李宏升, 岳軍, 鄧劍平, 陳冰泉, 李延娥, 任旭升, 李縣洛, 滕霖王濤, 宋立梅, 陳勇, 張敏, 廖延彪
【申請(qǐng)人】青島理工大學(xué), 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動(dòng)控制研究所, 清華大學(xué)