CN105043300A - 可从多方位对被测物同时投影的三维测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维测量技术领域，尤其涉及一种可从多方位对被测物同时投影的三维测量系统。本发明利用四台LCOS投影机从被测物的前、后、左、右四个方向对被测物同时投影同一幅正弦条纹，通过恰当配置四台LCOS投影机使得被测物左右的两台LCOS投影机投影的正弦条纹重合，被测物前后的两台投影机投影的正弦条纹也重合，且与被测物左右的两台LCOS投影机投影的正弦条纹垂直交叉重叠。一次性提取四幅正弦条纹的共同重合区域后，通过四幅正弦条纹之间的重合及正交关系即可将该共同重合区域中的四幅正弦条纹分离，从而大大缩短了三维成像时间，提高了三维测量效率。

Description

可从多方位对被测物同时投影的三维测量系统

技术领域

本发明涉及三维测量技术领域，尤其涉及一种可从多方位对被测物同时投影的三维测量系统。

背景技术

目前采用结构光的3D微测量系统，无论是莫尔条纹或者数字条纹，其条纹均采用相位移动调制，使用正弦波，一个波形移动若干次完成。根据测量范围和精度要求，一般相位移动3次、4次或6次。同时，为解决测量高低变化的被测物时有阴影部位(产生测量盲区)，所有采用结构光的3D微测量系统都会在不同的方位投射条纹光。如左右用2个，前后左右用4个，甚至用8个。

以下为采用莫尔条纹和数字条纹成像过程举例：

莫尔条纹是物理地移动光栅(即有蚀刻线的玻璃板)来达到移动正弦波的目的。针对第一个莫尔条纹产生器：第一次成像在0度相位时，光源发光经过光栅衍射形成莫尔条纹，投射到被测物上，然后相机取像；第二次成像在90度相位时，光栅水平机械移动1/4波长距离，如一个正弦波长为32个像素，则使用压电陶磁马达使玻璃板移动8个像素的距离，然后按前述方法成像；第三次及第四次成像分别在180度相位及270度相位，成像过程与前述同理。第二个、第三个及第四个莫尔条纹产生器根据与第一个莫尔条纹产生器相同的方法成像，同时，相机取像。

数字条纹是由数字条纹产生器产生，如LCOS或DLP(德州仪器公司的数字光处理器)。每个相位的数字条纹已经存入到闪存中，工作时数字条纹从闪存读入工作存储器(RAM)中，然后成像。针对第一个数字条纹产生器：第一次成像在0度相位时，读取闪存中的0度相位数字条纹，并投射数字条纹到被测物上，然后相机取像；第二次成像在90度相位时，读取闪存中的90度的数字条纹图案，并投射数字条纹到被测物上，然后相机取像；第三次成像与第四次成像分别在180度相位及270度相位，成像过程与前述同理。第二个、第三个及第四个数字条纹产生器根据与第一个莫尔条纹产生器相同的方法成像，同时，相机取像。

由上述成像过程可知，不管是对于莫尔条纹产生器还是数字条纹产生器，其成像过程均为各条纹产生器按顺序进行条纹投影。即前一条纹产生器按相位顺序投影完各相位条纹图像后，后一条纹产生器再按与前一条纹产生器同样的方法进行投影，直到所有条纹产生器投影完毕。这样，完成所有条纹的成像的时间开销是采用单独一个条纹产生器的几倍，大大制约该技术的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可从多方位对被测物同时投影的三维测量系统，可通过四个LCOS投影机在视场的前后左右四个方位对该视场同时投影相同相位的条纹光，在每个相位只需进行一次取像就可分别得到各LCOS投影机所投影的该相位的条纹图案。本发明是这样实现的：

一种三维测量系统，用于对放置在第一平面上的被测物进行三维测量，包括图像分析及控制系统、相机、第一LCOS投影机、第二LCOS投影机、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机；

所述第一LCOS投影机、第二LCOS投影机、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机相同，被分别配置在所述被测物的前、后、左、右四个方向，且各自的LCOS芯片的发光面与所述第一平面平行且均位于与所述第一平面平行的第二平面上；

所述图像分析及控制系统用于控制所述第一LCOS投影机、第二LCOS投影机、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机向所述被测物同时投影同一幅正弦条纹；

所述第一LCOS投影机、第二LCOS投影机、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机被配置为所述第一LCOS投影机及第二LCOS投影机投影的正弦条纹重合，所述第三LCOS投影机及第四LCOS投影机投影的正弦条纹重合，且与所述第一LCOS投影机及第二LCOS投影机投影的正弦条纹垂直交叉重叠；

所述图像分析及控制系统还用于通过所述相机采集所有正弦条纹的共同重合区域，并从该共同重合区域中分别提取出所述第一LCOS投影机、第二LCOS投影机、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机投影的正弦条纹。

进一步地，所述第一LCOS投影机、第二LCOS投影机、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机的镜头前端均安装有用于聚光的光学透镜组。

进一步地，所述相机的镜头为远心镜头。

进一步地，所述第一LCOS投影机、第二LCOS投影机、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机与所述相机连接，还用于在向所述平面投影相同的正弦条纹的同时，通过同步信号触发所述相机同步对所述被测物曝光，以采集所有正弦条纹的共同重合区域。

进一步地，所述正弦条纹包括四个相位，分别为0度相位、90度相位、180度相位及270度相位；同一时刻所述第一LCOS投影机、第二LCOS投影机、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机投影其中的同一个相位的正弦条纹图。

进一步地，所述LCOS芯片的分辨率为1280*1080。

进一步地，所述正弦条纹在所述平面形成的图形为矩形的正弦条纹图案。

与现有技术相比，本发明利用四台LCOS投影机从被测物的前、后、左、右四个方向对被测物同时投影同一幅正弦条纹，通过恰当配置四台LCOS投影机使得被测物左右的两台LCOS投影机投影的正弦条纹重合，被测物前后的两台投影机投影的正弦条纹也重合，且与被测物左右的两台LCOS投影机投影的正弦条纹垂直交叉重叠。一次性提取四幅正弦条纹的共同重合区域后，通过四幅正弦条纹之间的重合及正交关系即可将该共同重合区域中的四幅正弦条纹分离，从而大大缩短了三维成像时间，提高了三维测量效率。

附图说明

图1：本发明实施例提供的三维测量系统组成结构示意图；

图2：各LCOS投影机与第一平面1及第二平面2的相对位置关系示意图；

图3：本发明实施例中一LCOS投影机投影的正弦条纹示意图；

图4：未控制投射角度时，四幅正弦条纹的共同重合区域重合效果示意图；

图5：合理控制投射角度时，四幅正弦条纹的共同重合区域重合效果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明提供的可从多方位对被测物同时投影的三维测量系统用于对放置在第一平面上的被测物进行三维测量。如图1所示，该系统包括图像分析及控制系统9、相机6、第一LCOS投影机4、第二LCOS投影机5、第三LCOS投影机(附图未示出)及第四LCOS投影机(附图未示出)。其中，第一LCOS投影机4、第二LCOS投影机5、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机相同，且被分别配置在被测物7的前、后、左、右四个方向。图1只示出配置在被测物7左右的第一LCOS投影机4及第二LCOS投影机5，未示出配置在被测物7前后的第三LCOS投影机及第四LCOS投影机。

图2示意性示出了各LCOS投影机与第一平面1及第二平面2的相对位置关系，各LCOS投影机的安装方式使得各自的LCOS芯片的发光面与第一平面1平行且均位于与第一平面1平行的第二平面2上。在图2中，第一平面1与第二平面2相互平行，3为四部LCOS投影机中其中一部的LCOS芯片的发光面，该发光面3在第二平面2上，其余3部LCOS投影机的LCOS芯片的发光面(未示出)与发光面3一样，也在第二平面2上。

图像分析及控制系统9控制第一LCOS投影机4、第二LCOS投影机5、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机向第一平面1同时投影同一幅正弦条纹8。这里所指的同一幅正弦条纹8是指，各LCOS投影机投影的条纹是相同正弦条纹8的同一相位的条纹，如果各LCOS投影机投影的虽然是相同的正弦条纹8，但相位不同，则不可认为各LCOS投影机投影的是同一幅正弦条纹8。

本实施例采用的各LCOS投影机的LCOS芯片的分辨率为1280*1080，芯片中各像素间距为0.25微米，填充因子为96％，像元大小为13.62微米，可产生高清分辨率的正弦条纹8。其产生的正弦条纹8如图3所示，在图3中，X轴为第0至1279像素，表示行；Y轴为第0至1023像素，表示列。每一像素的坐标以(x,y)表示，其中x表示行，y表示列，从图3中可看出，LCOS投影机投影的正弦条纹8的每一列上的各像素灰度相等，各列的灰度以正弦曲线变化。

第一LCOS投影机4、第二LCOS投影机5、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机被配置为第一LCOS投影机4及第二LCOS投影机5投影的正弦条纹8重合，第三LCOS投影机及第四LCOS投影机投影的正弦条纹8重合，且与第一LCOS投影机4及第二LCOS投影机5投影的正弦条纹8垂直交叉重叠。四幅正弦条纹8将形成一个共同重合区域，该共同重合区域为正方形。被测物7应尽可能完全置于该共同重合区域内。由于两幅正弦条纹8完全一样，当两幅正弦条纹8重合后，重合的条纹图案中每个像素的灰度都将是原来的两倍，其实质是两幅正弦条纹8重合后，将形成新的正弦条纹，新的正弦条纹与两幅正弦条纹8相比，相位相同、周期相同，但振幅变为原来的两倍。又由于第三LCOS投影机及第四LCOS投影机投影的正弦条纹8重合后形成的新的正弦条纹与第一LCOS投影机4及第二LCOS投影机5投影的正弦条纹8重合后形成的新的正弦条纹垂直相交，相当于两幅新的正弦条纹正交，因此，四幅正弦条纹8的共同重合区域中每一个像素的灰度为四幅正弦条纹8中该像素的灰度之和，根据两幅新的正弦条纹之间的正交关系、左右两幅正弦条纹8的重合关系及前后两幅正弦条纹8的重合关系可得到四幅正弦条纹8中每一像素的灰度。图像分析及控制系统9可一次性提取四幅正弦条纹8的共同重合区域，并根据上述各关系将该共同重合区域中的四幅正弦条纹分离，即从该共同重合区域中分别提取出第一LCOS投影机4、第二LCOS投影机5、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机投影的正弦条纹8。

第一LCOS投影机4、第二LCOS投影机5、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机的镜头前端均安装有用于聚光的光学透镜组，可将各LCOS投影机产生的条纹聚合得清晰，让投射到被测物7上的条纹上的每个像素准确定位。相机6的镜头可采用远心镜头，以消除由于被测物7上各像素离镜头距离的远近不一致，造成放大倍率不一样的问题。

为使前、后、左、右四部LCOS投影机同时投影，且图像分析及控制系统9能按照上述原理进行计算，要求四部LCOS投影机投影的正弦条纹8要像素交合，无像素离合。由于四部LCOS投影机是从被测物7的前、后、左、右四个方向对被测物7进行投影，必然采用斜投影方式。斜投影的条纹在投影区域会形成近小远大的情况，因此，需要合理配置投射角度和配置LCOS投影机镜头组的参数以矫正投影到第一平面1上的正弦条纹的形状，使其为规则的矩形的正弦条纹图，即正弦条纹8在第一平面1上形成的是矩形的正弦条纹。这样才能使得第一LCOS投影机4及第二LCOS投影机5投影的正弦条纹8重合，第三LCOS投影机及第四LCOS投影机投影的正弦条纹8重合，且与第一LCOS投影机4及第二LCOS投影机5投影的正弦条纹8垂直交叉重叠。图4及图5分别为未控制投射角度时与合理控制投射角度时四幅正弦条纹8的共同重合区域重合效果示意图。从图4中可以看出，未控制投射角度时，投射的各条纹会失焦和变形，不能很好重合。图5中，通过合理控制LCOS投影机的投射角度，在各LCOS投射角度都为30度(即各LCOS投影机的投影方向与垂直于第一平面1的方向成30度夹角)时，得到的各条纹图案是没有失焦和变形的，能够准确重合。

第一LCOS投影机4、第二LCOS投影机5、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机与相机6连接，可在向平面投影相同的正弦条纹8的同时，通过同步信号触发相机6同步对被测物7曝光，以采集所有正弦条纹8的共同重合区域。

只采集一个相位的正弦条纹8不能得到准确的三维测量结果，因此，需要移动正弦条纹8的相位，多次对被测物7进行投影及取像。在本实施例中，正弦条纹8包括四个相位，分别为0度相位、90度相位、180度相位及270度相位。同一时刻第一LCOS投影机4、第二LCOS投影机5、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机投影其中的同一个相位的正弦条纹8，直到所有四个相位的正弦条纹8投影完。对于每个相位的正弦条纹8，图像分析及控制系统9均按照前述原理一次性提取四幅正弦条纹8的共同重合区域，并根据上述各关系从该共同重合区域中分别提取出第一LCOS投影机4、第二LCOS投影机5、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机投影的正弦条纹8，最后再根据第一LCOS投影机4、第二LCOS投影机5、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机投影的各相位的正弦条纹8得出该被测物7的三维测量结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可从多方位对被测物同时投影的三维测量系统，用于对放置在第一平面上的被测物进行三维测量，其特征在于，包括图像分析及控制系统、相机、第一LCOS投影机、第二LCOS投影机、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机；

所述第一LCOS投影机、第二LCOS投影机、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机相同，被分别配置在所述被测物的前、后、左、右四个方向，且各自的LCOS芯片的发光面与所述第一平面平行且均位于与所述第一平面平行的第二平面上；

所述图像分析及控制系统用于控制所述第一LCOS投影机、第二LCOS投影机、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机向所述被测物同时投影同一幅正弦条纹；

所述第一LCOS投影机、第二LCOS投影机、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机被配置为所述第一LCOS投影机及第二LCOS投影机投影的正弦条纹重合，所述第三LCOS投影机及第四LCOS投影机投影的正弦条纹重合，且与所述第一LCOS投影机及第二LCOS投影机投影的正弦条纹垂直交叉重叠；

所述图像分析及控制系统还用于通过所述相机采集所有正弦条纹的共同重合区域，并从该共同重合区域中分别提取出所述第一LCOS投影机、第二LCOS投影机、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机投影的正弦条纹。

2.如权利要求1所述的三维测量系统，其特征在于，所述第一LCOS投影机、第二LCOS投影机、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机的镜头前端均安装有用于聚光的光学透镜组。

3.如权利要求1所述的三维测量系统，其特征在于，所述相机的镜头为远心镜头。

4.如权利要求1所述的三维测量系统，其特征在于，所述第一LCOS投影机、第二LCOS投影机、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机与所述相机连接，还用于在向所述平面投影相同的正弦条纹的同时，通过同步信号触发所述相机同步对所述被测物曝光，以采集所有正弦条纹的共同重合区域。

5.如权利要求1所述的三维测量系统，其特征在于，所述正弦条纹包括四个相位，分别为0度相位、90度相位、180度相位及270度相位；同一时刻所述第一LCOS投影机、第二LCOS投影机、第三LCOS投影机及第四LCOS投影机投影其中的同一个相位的正弦条纹图。

6.如权利要求1所述的三维测量系统，其特征在于，所述LCOS芯片的分辨率为1280*1080。

7.如权利要求1所述的三维测量系统，其特征在于，所述正弦条纹在所述平面形成的图形为矩形的正弦条纹图案。