專利名稱：時(shí)序變頻條紋照明可重配置動(dòng)態(tài)三維數(shù)字傳感裝置及過(guò)程的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及時(shí)序變頻條紋照明可重配置動(dòng)態(tài)三維數(shù)字傳感裝置及過(guò)程，屬于三維數(shù)字成像技術(shù)。
背景技術(shù)：
三維數(shù)字成像及造型是近年來(lái)國(guó)際上活躍研究的一個(gè)新興交叉學(xué)科領(lǐng)域，而物體表面的三維傳感是3DIM的核心技術(shù)之一。國(guó)內(nèi)外對(duì)激光掃描、成像雷達(dá)、聚焦分析、編碼結(jié)構(gòu)光、全息和散斑干涉、莫爾、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量等三維傳感理論和技術(shù)都進(jìn)行了大量的研究。但到目前為止，這些三維傳感概念的實(shí)現(xiàn)都在精度和視場(chǎng)尺寸與速度之間、以及速度與靈活性之間取折衷，從而限制了它們?cè)诖罅咳S動(dòng)態(tài)傳感問(wèn)題中的應(yīng)用?；谙辔挥成涞娜S傳感理論具有并行數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)，因而在動(dòng)態(tài)三維數(shù)字化的應(yīng)用中潛力很大。然而，目前發(fā)展的基于相位映射的三維傳感技術(shù)在應(yīng)用中仍面臨一些重要障礙需要克服。例如對(duì)于幾何形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜或表面梯度很大的物體進(jìn)行絕對(duì)相位測(cè)量及其相位重建的問(wèn)題。又如由于固有主動(dòng)照明盲區(qū)和成像盲區(qū)產(chǎn)生的陰影和遮蔽效應(yīng)，造成三維編碼數(shù)據(jù)的殘缺不全，以至于對(duì)高精度的深度數(shù)據(jù)重建、三維數(shù)字像的匹配和數(shù)據(jù)融合產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。研究和克服這些問(wèn)題對(duì)獲取高質(zhì)量的三維傳感數(shù)據(jù)具有重要意義。
當(dāng)被傳感的物體表面存在不連續(xù)性(突然的凸起或凹陷、視場(chǎng)中存在若干獨(dú)立的物體等)時(shí)，確定絕對(duì)相位和相位重建(絕對(duì)距離測(cè)量)都是非常棘手的問(wèn)題。特別是對(duì)快速三維傳感要求的情況下，這個(gè)問(wèn)題尤為困難。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的基于時(shí)-序變頻技術(shù)的可重配置的動(dòng)態(tài)三維數(shù)字化傳感裝置，可以以視頻速率產(chǎn)生和采集時(shí)—序變頻條紋圖，具有時(shí)-空多重分辨能力(靈敏度可變)。若后接三維數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，則可以利用采集到的不同靈敏度的多重相位圖來(lái)確定物體表面間斷處附近的相位差從而得到相應(yīng)的深度信息。利用本發(fā)明產(chǎn)生的時(shí)—序變頻條紋圖照明可以達(dá)到視頻速率，可應(yīng)用于動(dòng)態(tài)三維數(shù)字化傳感場(chǎng)合，對(duì)任意形狀的被測(cè)物體的三維成像均具有普適性和實(shí)用性?？蓪?duì)比的技術(shù)文獻(xiàn)有以下四篇 F.Chen，G.M.Brown，and M.Song，“Overview of three-dimensional shape measurement usingoptical methods，”O(jiān)pt.Eng.29(1)10-22(2000)[2]Y.B.Choi and S.W.Kim，“Phase-shifting grating projection Moire topography，”O(jiān)pt.Eng.37(3)，1005-1010(1998). M.S.Mermelstein，D.L.Feldkhun and L.G.Shirley，“Video-rate surface profiling withacousto-optic accordion fringe interferometry，”O(jiān)pt.Eng.39(1)106-113(2000). M.Rioux，“Three dimensional imaging method and device”.US Patent 4,627,734發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種時(shí)序變頻條紋照明可重配置動(dòng)態(tài)三維數(shù)字傳感裝置及過(guò)程。該傳感裝置既過(guò)程對(duì)任何形狀的物體表面能獲得深度信息，產(chǎn)生的時(shí)序變頻的條紋圖像可達(dá)視頻速率，應(yīng)用于物體的三維成像，具有普適性。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的，包括由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA芯片組成的邏輯控制器，兩個(gè)直接數(shù)字合成器組成的數(shù)字頻率合成器，射頻放大器，雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器，CCD攝像機(jī)的圖像傳感接收器，圖像采集卡，通用PC機(jī)及控制器之間的RS-232串行接口構(gòu)成的傳感裝置。
采用上述傳感裝置實(shí)施時(shí)序變頻條紋照明動(dòng)態(tài)三維數(shù)字傳感過(guò)程，包括1)邏輯控制器向兩個(gè)直接數(shù)字合成器發(fā)出變頻、調(diào)相控制指令，該射頻信號(hào)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器產(chǎn)生條紋結(jié)構(gòu)光投影到被測(cè)物體。
2)邏輯控制器向兩個(gè)直接數(shù)字合成器發(fā)出變頻、調(diào)相信號(hào)的同時(shí)，產(chǎn)生CCD攝像機(jī)的外觸發(fā)信號(hào)和控制圖像采集卡完成一幅條紋圖像的采集。
3)圖像采集卡完成一幅條紋圖像的采集后，向邏輯控制器傳遞一個(gè)反饋信號(hào)，邏輯控制器重新向直接數(shù)字合成器發(fā)出頻率、相位控制指令，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器以變化了的頻率、相位的條紋結(jié)構(gòu)光再投射到被測(cè)物體上。
4)重復(fù)進(jìn)行上述1)-3)步驟，可獲得景物不同深度的信息圖像。
本發(fā)明提供了一種基于時(shí)-序變頻技術(shù)的可重配置的動(dòng)態(tài)三維數(shù)字化傳感裝置，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明體積小，可以嵌入在微型機(jī)器人中，用于完成被測(cè)物場(chǎng)景深度圖像恢復(fù)、障礙物檢測(cè)、目標(biāo)定位等。
(2)本發(fā)明采用全數(shù)字化的方法，所有條紋圖的產(chǎn)生、采集工作全部自動(dòng)化完成，不需人工干預(yù)、調(diào)整。
(3)本發(fā)明實(shí)時(shí)性好，由于采用了先進(jìn)的直接數(shù)字合成技術(shù)，頻率和相位變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間均小于1ms。
(4)本發(fā)明具有極高的靈活性和可重配置性，投影結(jié)構(gòu)光序列的空間周期或頻率以及相位，可以靈活的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)更改、配置，這僅需更改FPGA的“軟件”(設(shè)計(jì))即可。即對(duì)景物深度信息進(jìn)行的空-時(shí)序列編碼算法可現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)更改、配置，可應(yīng)用任意形狀的被測(cè)物體的三維成像。


圖1是本發(fā)明的傳感裝置框圖。
圖中101是邏輯控制器，102-1，102-2是直接數(shù)字合成器，103-1，103-2是射頻放大器，104-1，104-2是聲光調(diào)制照明發(fā)射器，105是CCD攝像機(jī)，106是圖像采集卡，107通用PC機(jī)。
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(shuō)明。
如附圖1所示直接數(shù)字合成器產(chǎn)生的射頻信號(hào)經(jīng)射頻發(fā)大器進(jìn)行射頻放大后，驅(qū)動(dòng)基于聲光調(diào)制技術(shù)的照明發(fā)射器104產(chǎn)生具有一定空間頻率和相移量的條紋圖。用邏輯控制器101產(chǎn)生直接數(shù)字合成器變頻、調(diào)相所需的控制指令，并控制其同步、匹配。邏輯控制器101給出直接數(shù)字合成器變頻、調(diào)相信號(hào)的同時(shí)，產(chǎn)生CCD攝像機(jī)105的外觸發(fā)信號(hào)，并控制圖像采集卡106完成一幅條紋圖像的采集。圖像采集卡完成一幅條紋圖像的采集后，給邏輯控制器101一個(gè)反饋信號(hào)，邏輯控制器101得到反饋信號(hào)后，改變直接數(shù)字合成器的頻率、相位控制指令，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)基于聲光調(diào)制技術(shù)的照明發(fā)射器產(chǎn)生變頻和移相后的條紋圖，投射到被測(cè)物體上。
附圖1中的邏輯控制器101可以是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA芯片，或是復(fù)雜的可編程邏輯器件CPLD，或是由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA芯片和復(fù)雜的可編程邏輯器件CPLD的組合。射頻放大器可為單片集成射頻放大器，或是由多個(gè)芯片構(gòu)成的射頻放大電路系統(tǒng)。直接數(shù)字合成器可以是包含數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC和電壓比較器的直接數(shù)字合成器模塊，或是由一片DDS、一片數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC和一片電壓比較器組合而成的直接數(shù)字合成電路系統(tǒng)。如采用直接數(shù)字合成器模塊，其典型工作頻率為180Mhz，頻率控制字字長(zhǎng)為32位，相位控制字為5位；輸出頻率解析度為0.04HZ，相位解析度為11.25度。峰值時(shí)，頻率改變?cè)?.1us內(nèi)完成，相位改變?cè)?.07us內(nèi)完成。
附圖1具體實(shí)施例是系統(tǒng)上電復(fù)位后，通用PC機(jī)107經(jīng)RS-232串行通訊接口給出現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列FPGA芯片101的啟動(dòng)信號(hào)，使系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列FPGA芯片101首先產(chǎn)生RESET復(fù)位信號(hào)，由于直接數(shù)字合成器102-1，102-2在硬件電路上被設(shè)計(jì)成共用一個(gè)RESET復(fù)位信號(hào)，所以直接數(shù)字合成器102-1，102-2同時(shí)被復(fù)位，進(jìn)入芯片的初始化編程狀態(tài)。然后，F(xiàn)PGA芯片101產(chǎn)生直接數(shù)字合成器102-1所需的編程時(shí)鐘時(shí)序，對(duì)其進(jìn)行編程，經(jīng)過(guò)5個(gè)W_CLK時(shí)鐘信號(hào)后，40BIT的控制字被寫(xiě)入到直接數(shù)字合成器102-1中去，其中包括了32位的頻率控制字和5位的相位控制字，這時(shí)FPGA芯片101和直接數(shù)字合成器102-1，102-2之間的8位數(shù)據(jù)總線被直接數(shù)字合成器102-1占據(jù)。完成對(duì)直接數(shù)字合成器102-1的編程后(直接數(shù)字合成器102-1中被寫(xiě)入了一定的頻率值和相位值)，F(xiàn)PGA芯片101產(chǎn)生直接數(shù)字合成器102-2所需的編程時(shí)鐘時(shí)序，開(kāi)始對(duì)直接數(shù)字合成器102-2進(jìn)行編程，經(jīng)過(guò)5個(gè)W_CLK時(shí)鐘信號(hào)后，40BIT的控制字被寫(xiě)入到直接數(shù)字合成器102-2中去，其中包括了32位的頻率控制字和5位的相位控制字，這時(shí)FPGA芯片101和直接數(shù)字合成器102-1，102-2之間的8位數(shù)據(jù)總線被直接數(shù)字合成器102-2占據(jù)。在這里，我們將8位數(shù)據(jù)總線設(shè)計(jì)成了復(fù)用的形式，使得系統(tǒng)更加緊湊。由于寫(xiě)入直接數(shù)字合成器102-1，102-2的頻率控制字和相位控制字的設(shè)置可以人為控制，故我們可以產(chǎn)生兩路同頻率但具有一定相位差的射頻信號(hào)。完成對(duì)直接數(shù)字合成器102-2的編程同時(shí)，F(xiàn)PGA芯片101給出直接數(shù)字合成器102-1，102-2的頻率更新信號(hào)，這一信號(hào)的有效值使得直接數(shù)字合成器102-1，102-2同時(shí)產(chǎn)生射頻信號(hào)輸出，這樣就解決了兩個(gè)直接數(shù)字合成器102-1，102-2之間的同步問(wèn)題。頻率更新信號(hào)同時(shí)被引入到CCD攝像機(jī)105的外觸發(fā)端，觸發(fā)CCD攝像機(jī)105、圖像采集卡106進(jìn)行條紋圖的采集，圖像采集完畢后，由圖像采集卡106給出系統(tǒng)反饋信號(hào)至FPGA芯片101，通知FPGA芯片101產(chǎn)生下一幅條紋圖的動(dòng)作(產(chǎn)生直接數(shù)字合成器102-1，102-2所需的不同的頻率、相位控制字)。如此重復(fù)下去，即可達(dá)到條紋圖的實(shí)時(shí)采集。
當(dāng)需要對(duì)投影結(jié)構(gòu)光序列的空間周期或頻率以及相位進(jìn)行更改以適應(yīng)任意形狀的被測(cè)物體時(shí)，僅需更改FPGA的“軟件”(設(shè)計(jì))即對(duì)相應(yīng)FPGA設(shè)計(jì)進(jìn)行稍許修改，重新綜合、編程、加載即可，這大大增加了對(duì)任意形狀被測(cè)物體的三維成像的普適性和實(shí)用性。
權(quán)利要求
1.一種時(shí)序變頻條紋照明可重配置動(dòng)態(tài)三維數(shù)字傳感裝置，其特征在于包括由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA芯片組成的邏輯控制器，兩個(gè)直接數(shù)字合成器組成的數(shù)字頻率合成器，射頻放大器，雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器，CCD攝像機(jī)的圖像傳感接收器，圖像采集卡，通用PC機(jī)及控制器之間的RS-232串行接口構(gòu)成。
2.采用按權(quán)利要求1所述的時(shí)序變頻條紋照明可重配置動(dòng)態(tài)三維數(shù)字傳感裝置的傳感過(guò)程，其特征包括下列步驟1)邏輯控制器向兩個(gè)直接數(shù)字合成器發(fā)出變頻、調(diào)相控制指令，該射頻信號(hào)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器產(chǎn)生條紋結(jié)構(gòu)光投影到被測(cè)物體；2)邏輯控制器向兩個(gè)直接數(shù)字合成器發(fā)出變頻、調(diào)相信號(hào)的同時(shí)，產(chǎn)生CCD攝像機(jī)的外觸發(fā)信號(hào)和控制圖像采集卡完成一幅條紋圖像的采集；3)圖像采集卡完成一幅條紋圖像的采集后，向邏輯控制器傳遞一個(gè)反饋信號(hào)，邏輯控制器重新向直接數(shù)字合成器發(fā)出頻率、相位控制指令，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)雙聲光調(diào)制照明發(fā)射器以變化了的頻率、相位的條紋結(jié)構(gòu)光再投射到被測(cè)物體上；4)重復(fù)進(jìn)行上述1)-3)步驟，可獲得景物不同深度的信息圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種時(shí)序變頻條紋照明可重配置動(dòng)態(tài)三維數(shù)字傳感裝置及過(guò)程。該裝置包括邏輯控制器、數(shù)字頻率合成器、射頻放大器、照明發(fā)射器、圖像傳感接收器。其傳感過(guò)程包括邏輯控制器向頻率合成器發(fā)出變頻、調(diào)相指令，照明發(fā)射器按指令向物體投射結(jié)構(gòu)光，同時(shí)邏輯控制器產(chǎn)生攝像機(jī)的外觸發(fā)信號(hào)并控制圖像卡完成一幅條紋圖像的采集，邏輯控制器接收到圖像卡反饋信號(hào)后重新向頻率合成器發(fā)出指令，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)照明發(fā)射器以變化了的頻率、相位的條紋結(jié)構(gòu)光再投射到物體上。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于能實(shí)時(shí)產(chǎn)生、采集頻率和相位可變的投影條紋圖，具有現(xiàn)場(chǎng)可更改性、重配置性和普適性，可廣泛用于物體三維形貌特征的實(shí)時(shí)獲取。
文檔編號(hào)G06F9/00GK1480708SQ0313044
公開(kāi)日2004年3月10日 申請(qǐng)日期2003年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月23日
發(fā)明者彭翔, 張鵬, 牛憨笨, 彭 翔 申請(qǐng)人:天津大學(xué)