基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统及方法，将传统的高精度数字条纹投影三维成像技术与具备宽波段成像能力的单像素成像方式相结合，降低了宽波段三维成像成本，提高了系统精度。该方法主要包括数字条纹投影部分，单像素重构和三维深度信息恢复三个过程：使用数字微镜整列替代传统的物理光栅，投影根据Bayer抖动技术使用二元黑白条纹模拟正弦条纹图案；物体面型调制后的畸变条纹经过镜头成像到光调制器调制靶面上，光调制器加载的是哈达玛矩阵进行调制后，单像素探测器探测出射光强，关联运算得到二维强度图；对于四步相移投影得到二维强度图，计算得到待测物体相位，完成相位与高度的映射工作后，对系统进行了梯形矫正。

【技术实现步骤摘要】
基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统及方法
本专利技术属于精密光学三维成像领域，具体涉及一种基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统及成像方法。
技术介绍
人眼通过视觉系统接收外界光线强度及波长变化，得到外界事物的亮暗，颜色等众多信息，通过学习人类视网膜而专利技术的多像素阵列型探测器(如CCD和CMOS)成为当前二维成像技术的最主要成像器件。随着技术的不断革新，基础器件的日渐成熟，二维成像已经实现了集低成本，高精度和小体积等各项优点的集成器件，但三维成像技术一直在精度，速度以及便携上与传统的二维成像方式有着巨大的差距。三维成像技术，简单来说就是在二维图像的基础上，提取真实世界的深度信息。传统的深度提取方法主要通过多视角或者3D扫描等方式来完成，相关的三维成像方式主要包括：(1)多目视觉法。通过使用多个阵列式探测设备在不同视角进行拍摄多幅图像，通过后期图像处理得出物体的深度信息；(2)飞行时间法，其中最具代表性的技术就是激光雷达。使用激光器发射高速光脉冲，通过计算激光出射时到探测器接收之间的时间差来计算光源到物体间的距离，从而得到物体深度。(3)结构光投影法。通过使用主动投影器件投影出载频条纹到被测物体表面，经物体调制后的畸变条纹由探测器接收，其畸变程度与物体高度有着一一对应的映射关系。目前的三维成像技术都还存在着一定缺陷。多目视觉成本低，受环境影响小，但其受物体形貌影响大，不同物体得到的精度结果具有非常大的差异；飞行时间法，则对成本提出了较高的要求，并且以牺牲成本为代价；结构光投影技术，对环境具有一定要求，但因其精度高的同时又具有相当的速度，还是成为当前三维成像方式的热点。除此之外，非可见光波段的阵列式探测器成本高，技术难度大，一直限制着非可见光成像领域的发展。而单像素探测器不仅建造技术难度大大降低，成本下降，而且其还具有更低的暗噪声，更快的响应时间等优点。由此，单像素成像方式作为一种宽波段成像的低成本解决方式受到了广泛的关注。近十几年来，单像素三维成像方法得到了较多发展。基于阴影提取物体形貌信息的单像素探测器多视角成像方式；基于单像素探测飞行时间的三维成像方式；基于傅里叶条纹轮廓术的三维成像方式等等。但目前的单像素三维成像方式在探测时间以及探测精度上都达不到具有相当可以提升的地步。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统及成像方法，解决了单像素三维成像系统成像精度不高的问题。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统,包括：数字条纹投影单元和单像素探测器单元；所述数字条纹投影单元包括白色LED光源、第一光调制和投影透镜；所述单像素探测器单元包括单像素探测器、第二光调制器和成像透镜；所述白色LED光源出射面阵白光经反射镜反射后照在第一光调制器上，第一光调制器将二元抖动正弦条纹图案经投影透镜成像到目标靶面上，经过物体面型调制得到的畸变正弦条纹经成像透镜成像到第二光调制器上，所述第二光调制器将产生哈达玛正交图案对畸变条纹图进行调制，由单像素探测器收集反射得到的光强，并传输至计算机中重构得到二维光强图。进一步的，采用Bayer抖动技术使用二元黑白条纹模拟正弦条纹图案。基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统的成像方法,包括以下步骤：步骤S1:采用四步相移算法，获取固定相移变量的四副正弦条纹图；步骤S2:根据得到的四副正弦条纹图，得到的四幅不同相位的二维强度图，并相位求解算法，计算得到物体的相位图；步骤S3:根据得到的相位图，采用洪水解包算法，得到解包裹相位图；步骤S4:通过系统标定，得到物体深度信息与相位变化的一一对应关系，进一步的，由解包裹相位图，得到物体的三维信息。进一步的，所述正弦数字条纹投影获取，具体包括以下步骤：步骤S11:生成固定周期和不同相移步数的8bit正弦条纹；步骤S12:根据Bayer抖动原理，生成抖动阈值单位矩阵，单位矩阵经过扩充产生与正弦投影条纹相同分辨率的阈值判断矩阵，阈值矩阵与正弦矩阵每个像素进行对比，大于阈值为1，小于阈值为0，从而得到二值抖动正弦条纹图；步骤S13:通过控制第一光调制器不同振镜反射方向，加载处理得到的二值正弦条纹图，白色LED光源照射后经投影透镜投影到待测物体靶面上。进一步的，所述二维强度图重构，具体如下：步骤S21:加载了被测物体深度信息的条纹图经过成像透镜成像到第二光调制器上，第二光调制器将按顺序产生完备正交哈达玛矩阵，经过成像矩阵调制后的光强由单像素探测器同步进行探测反射光强；步骤S22:探测得到与哈达玛调制矩阵--对应的光强值，哈达玛矩阵为已知矩阵，两者进行关联运算，进一步重构出二维光强图。进一步的，所述四步相移算法每步相移间隔为π/2，由此，条纹投影图表示为：其中，n为相移步数，I′为平均照射光强，I″为调制光强。进一步的，所述相位求解算法具体为，根据四步相移得到的四幅畸变条纹图，按照下式进行两两相减，从而得到具有2π相位跳变的相位图进一步的，所述步骤S4具体为：步骤S41:对待测物体靶面进行前后位移各四次，分别进行四步相移投影，经计算得到不同位置的解包裹相位图；步骤S42:分别对每一个像素的实际距离和相位变化进行拟合，得到相位与高度的映射关系，并进一步得到物体深度信息。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：1、本专利技术采用数字条纹投影进行三维成像的方法，重构结果精度更高，解决了单像素三维成像系统成像精度不高的问题。2、本专利技术将单像素探测与数字条纹投影相结合，降低了三维成像系统成本。附图说明图1是本专利技术一实施例中根据抖动技术由正弦条纹图产生二值模拟正弦条纹图的示意图；图2是本专利技术系统简图；图3是本专利技术一实施例中成像系统对简单物体的成像效果展示；其中，(a)为真实物体，(b)为单像素重构二维图，(c)为重构出的物体三维图；图4是本专利技术一实施例中对半径为25mm三分之一球的误差分析；具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。请参照图2，本专利技术提供一种基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统,包括：数字条纹投影单元和单像素探测器单元；所述数字条纹投影单元包括白色LED光源、第一光调制和投影透镜；所述单像素探测器单元包括单像素探测器、第二光调制器和成像透镜；所述白色LED光源出射面阵白光经反射镜反射后照在第一光调制器上，第一光调制器将二元抖动正弦条纹图案经投影透镜成像到目标靶面上，经过物体面型调制得到的畸变正弦条纹经成像透镜成像到第二光调制器上，所述第二光调制器将产生哈达玛正交图案对畸变条纹图进行调制，由单像素探测器收集反射得到的光强，并传输至计算机中重构得到二维光强图。在本实施例中，数字条纹投影单元采用普通的LED白光面阵光源经反射镜反射后由光调制器(D本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统,其特征在于，包括：数字条纹投影单元和单像素探测器单元；所述数字条纹投影单元包括白色LED光源、第一光调制和投影透镜；所述单像素探测器单元包括单像素探测器、第二光调制器和成像透镜；所述白色LED光源出射面阵白光经反射镜反射后照在第一光调制器上，第一光调制器将二元抖动正弦条纹图案经投影透镜成像到目标靶面上，经过物体面型调制得到的畸变正弦条纹经成像透镜成像到第二光调制器上，所述第二光调制器将产生哈达玛正交图案对畸变条纹图进行调制，由单像素探测器收集反射得到的光强，并传输至计算机中重构得到二维光强图。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统,其特征在于，包括：数字条纹投影单元和单像素探测器单元；所述数字条纹投影单元包括白色LED光源、第一光调制和投影透镜；所述单像素探测器单元包括单像素探测器、第二光调制器和成像透镜；所述白色LED光源出射面阵白光经反射镜反射后照在第一光调制器上，第一光调制器将二元抖动正弦条纹图案经投影透镜成像到目标靶面上，经过物体面型调制得到的畸变正弦条纹经成像透镜成像到第二光调制器上，所述第二光调制器将产生哈达玛正交图案对畸变条纹图进行调制，由单像素探测器收集反射得到的光强，并传输至计算机中重构得到二维光强图。


2.根据权利要求1所述的基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统,其特征在于：采用Bayer抖动技术使用二元黑白条纹模拟正弦条纹图案。


3.根据权利要求1所述的基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统的成像方法,其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:采用四步相移算法，获取固定相移变量的四副正弦条纹图；
步骤S2:根据得到的四副正弦条纹图，得到的四幅不同相位的二维强度图，并相位求解算法，计算得到物体的相位图；
步骤S3:根据得到的相位图，采用洪水解包算法，得到解包裹相位图；
步骤S4:通过系统标定，得到物体深度信息与相位变化的一一对应关系，进一步的，由解包裹相位图，得到物体的三维信息。


4.根据权利要求3所述的基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统的成像方法,其特征在于，所述正弦数字条纹投影获取，具体包括以下步骤：
步骤S11:生成固定周期和不同相移步数的8bit正弦条纹；
步骤S12:根据Bayer抖动原理，生成抖动阈值单位矩阵，单位矩阵经过扩充产生与正弦投影条纹相同分辨率的阈值判断矩阵，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄峰，沈英，吴靖，吴衔誉，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35