一种光栅平动结构光三维测量系统及三维测量方法技术方案

本发明专利技术涉及光学检测三维成像领域，特别是一种光栅平动结构光三维测量系统及三维测量方法，即采用一个动光栅照明投影，即是采用一片确定条纹频率的平动光栅片进行照明投影，测量过程中，通过沿垂直栅格方向平移一定周期并同时投射抓拍调制图样即可进行测量，亦可以根据测量需要进行更换不同空间频率的光栅片元件。本发明专利技术的投射结构有别于传统的光机DMD投射装置，是一种简单易控的空间结构光相位调制投射装置。能够不依赖于复杂的条纹显示控制程序，而仅用光栅的精确机械位移就能实现复杂电子系统才能完成的功能，大大的简化了系统复杂度，从而在保证了测量精度的同时极大的减少了系统的体积与成本。

【技术实现步骤摘要】
一种光栅平动结构光三维测量系统及三维测量方法
本专利技术涉及光学检测三维成像领域，特别是一种光栅平动结构光三维测量系统及三维测量方法。
技术介绍
三维人脸识别由于其无接触、高识别率、高防伪性能，在公共安全、金融、交通及其它民用领域具有非常广阔的应用前景，是建设智能化公共服务平台、智慧城市和平安城市的重要核心技术之一。众所周知，三维人脸识别快速发展的前提是要有高集成度、高速、高精度的三维人脸采集设备。现目前主要的结构光投射装置有面投射的二维编码方式，随机散斑方式，对于正弦结构光主要通过控制振镜扫描投射或是通过光学投影机数字化调制再通过复杂的光投射系统实现。通过同步采集投射的结构光经被测目标调制后的图像，对图像进行变换分析，计算测量，三维重建等。目前现有的高精度三维重建方法主要是基于结构光三维测量轮廓术，主要是基于主动结构光和三角测量的原理将脸部作为普通的测量对象，并结合2D彩色纹理图像的精确映射，可以高精度获得逼真的3D脸部。其中，被认为最有发展优势及市场前景的是条纹投影轮廓术(FPP)，可用于测量动态物体。FPP中最常用的有两种方案，一种是傅立叶变换轮廓测量(FTP)，它是一种代表性的单帧方案，只需要一帧条纹即可完成三维重建，非常适合于高速3D测量。然而，由于带通滤波的局限性和参数选择的谨慎性，FTP方法在对象形状随时间变化的复杂动态场景中实现自动处理时具有较大的挑战性。另一种是相移轮廓术(PSP)，与FTP相比，PSP以其更高的精度，更大的分辨率，更低的复杂度以及对环境光的不敏感性而闻名。因此，PSP更适合用于高速高精度三维人脸数据的采集。但不论结构光还是双目立体视觉，在现有的三维人脸采集与识别的系统中，结构光投射装置在系统实现和控制方式方面都存在着系统复杂，控制难度高，造价高不易兼顾实际工程等一系列问题。现行的三维人脸测量的投射装置大多数是数字投影仪(DLP)或振镜。DLP分辨率高、对比度强，但体积大，不利于小型化(如四川川大智胜软件股份有限公司研制的高精度三维全脸照相机)；振镜虽然体积小，但受输出功率限制，亮度低，对比度差，导致测量精度较低(如Inter的RealSense、奥比中光的Astra系统等)；更重要的是二者的成本均较高，不利于工程化大规模生产。因此研制一种简单、易控、低成本及高速投影的空间结构光投射装置，对重建高速高精度三维人脸模型具有重要意义。因此，如今需要在保证测量精度的同时，能减小集成体积、降低成本、实现高速采集的一种光栅平动结构光三维测量系统及三维测量方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中所存在的没有小型化、低成本的高精度三维重建系统，提供一种光栅平动结构光三维测量系统及三维测量方法。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：一种光栅平动结构光三维测量系统，包括正弦结构光投射模组、双目采集模组以及控制器，所述双目采集模组包括两个IR采集相机以及纹理RGB相机；两个所述IR采集相机分别设置在所述系统的两侧，所述纹理RGB相机以及所述正弦结构光投射模组均设置于两个所述IR采集相机之间；所述纹理RGB相机用于采集目标物体的全面彩色信息和高频细节；所述正弦结构光投射模组包括照明光源、平动光栅片、微型电机、位移检测器以及投射镜头；所述照明光源用于为所述平动光栅片提供照明；所述平动光栅片设置在所述照明光源投影方向上；所述微型电机用于驱动所述平动光栅片沿直线进行平移；所述位移检测器用于采集所述平动光栅片的位移数据；所述投射镜头用于投射结构光；所述控制器分别与所述双目采集模组以及所述正弦结构光投射模组电连接。本专利技术采用一个动光栅照明投影，即是采用一片确定条纹频率的平动光栅片进行照明投影，测量过程中，通过沿垂直栅格方向平移一定周期并同时投射抓拍调制图样即可进行测量，亦可以根据测量需要进行更换不同空间频率的光栅片元件。本专利技术的投射结构有别于传统的光机DMD投射装置，是一种简单易控的空间结构光相位调制投射装置。能够不依赖于复杂的条纹显示控制程序，而仅用光栅的精确机械位移就能实现复杂电子系统才能完成的功能，大大的简化了系统复杂度，从而在保证了测量精度的同时极大的减少了系统的体积与成本。作为本专利技术的优选方案，所述正弦结构光投射模组还包括准直透镜以及场镜，所述准直透镜以及所述场镜依次设置在所述平动光栅片与所述照明光源之间。本专利技术对光源的集光系统做了优化，采用了场镜的设计，准直透镜及光阑可调照明角度，提高了照明系统的光能利用率和照明均匀度。同时通过采用柯勒照明系统对光学系统进行了优化，克服了临界照明的缺点，从而提高了投射条纹的对比度，极大的提升了采集的效果。作为本专利技术的优选方案，所述正弦结构光投射模组还包括固定光栅片，所述固定光栅片设置在所述平动光栅片与所述准直透镜之间。本专利技术采用柯勒照明系统对平行叠放的双光栅进行照明投影，即同时照明一定一动双光栅微结构，动光栅(即平动光栅片)通过微型电机拖动平移，移动精度由位移检测器反馈以提高移动精度。在测量过程中，投射的条纹周期在一定范围内连续变化的。可根据算法处理进行精细测量。作为本专利技术的优选方案，所述平动光栅片通过两个相互平行的轨道支架设置在所述照明光源投影方向上，所述两个轨道支架为双边滑槽式结构。本专利技术通过采用双边滑槽的设计，增强了所述平动光栅片的防脱性能和运动平稳性。作为本专利技术的优选方案，所述微型电机为步进带减速箱电机GM18168-01。作为本专利技术的优选方案，所述位移检测器采用MTE-40光栅检测器。一种如上述方案所述的光栅平动结构光三维测量系统的三维测量方法，包括以下步骤：S1：所述照明光源发出光线，经过所述平动光栅片后通过所述投射镜头向目标物体发射结构光；所述纹理RGB相机采集所述目标物体的纹理数据；S2：所述控制器控制所述微型电机驱动所述平动光栅片在所述轨道支架上进行周期性运动，并通过所述双目采集模组同步采集所述目标物体反射回的结构光图像；S3：对所述结构光图像进行预处理以及相位解算，获取所述目标物体的相位信息；所述预处理包括边缘分析以及图像傅里叶变换；S4：根据所述相位信息生成点云，并根据所述纹理数据拼接形成空间三维实体。作为本专利技术的优选方案，所述步骤S2还包括：所述控制器接收所述位移检测器采集的所述位移数据，并根据所述位移数据实时调整所述微型电机的运动速率；用于消除所述平动光栅片的抖动，使所述平动光栅片在所述轨道支架上匀速往复运动。作为本专利技术的优选方案，所述双目采集模组在所述平动光栅片的一个运动周期内采集至少三组所述结构光图像，且三组所述结构光图像之间的采集间隔一致；其中，正弦结构光经过目标物体表面调制后的光强空间分布表达式为：In(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)×cos[φ(x,y)+Δn],(n＝0,1,…,N)，(x,y)为根据所述IR采集相机(4)的内部参数获取的目标物体中的图像坐标，In(x,y)为所述图像坐标处的光强，a,b分别为背景分量和调制度因子，φ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光栅平动结构光三维测量系统，包括正弦结构光投射模组(3)、双目采集模组以及控制器，其特征在于，/n所述双目采集模组包括两个IR采集相机(4)以及纹理RGB相机(2)；两个所述IR采集相机(4)分别设置在所述系统的两侧，所述纹理RGB相机(2)以及所述正弦结构光投射模组(3)均设置于两个所述IR采集相机(4)之间；/n所述正弦结构光投射模组(3)包括照明光源(5)、平动光栅片(6)、微型电机(7)、位移检测器(8)以及投射镜头(1)；所述照明光源(5)用于为所述平动光栅片(6)提供照明；所述平动光栅片(6)设置在所述照明光源(5)投影方向上；所述微型电机(7)用于驱动所述平动光栅片(6)沿直线进行平移；所述位移检测器(8)用于采集所述平动光栅片(6)的位移数据；所述投射镜头(1)用于投射结构光；/n所述控制器分别与所述双目采集模组以及所述正弦结构光投射模组(3)电连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种光栅平动结构光三维测量系统，包括正弦结构光投射模组(3)、双目采集模组以及控制器，其特征在于，
所述双目采集模组包括两个IR采集相机(4)以及纹理RGB相机(2)；两个所述IR采集相机(4)分别设置在所述系统的两侧，所述纹理RGB相机(2)以及所述正弦结构光投射模组(3)均设置于两个所述IR采集相机(4)之间；
所述正弦结构光投射模组(3)包括照明光源(5)、平动光栅片(6)、微型电机(7)、位移检测器(8)以及投射镜头(1)；所述照明光源(5)用于为所述平动光栅片(6)提供照明；所述平动光栅片(6)设置在所述照明光源(5)投影方向上；所述微型电机(7)用于驱动所述平动光栅片(6)沿直线进行平移；所述位移检测器(8)用于采集所述平动光栅片(6)的位移数据；所述投射镜头(1)用于投射结构光；
所述控制器分别与所述双目采集模组以及所述正弦结构光投射模组(3)电连接。


2.根据权利要求1所述的一种光栅平动结构光三维测量系统，其特征在于，所述正弦结构光投射模组(3)还包括准直透镜(10)以及场镜(11)，所述准直透镜(10)以及所述场镜(11)依次设置在所述平动光栅片(6)与所述照明光源(5)之间。


3.根据权利要求2所述的一种光栅平动结构光三维测量系统，其特征在于，所述正弦结构光投射模组(3)还包括固定光栅片(9)，所述固定光栅片(9)设置在所述平动光栅片(6)与所述准直透镜(10)之间。


4.根据权利要求1或2所述的一种光栅平动结构光三维测量系统，其特征在于，所述平动光栅片(6)通过两个相互平行的轨道支架设置在所述照明光源(5)投影方向上，所述两个轨道支架为双边滑槽式结构。


5.根据权利要求1或2所述的一种光栅平动结构光三维测量系统，其特征在于，所述微型电机(7)为步进带减速箱电机GM18168-01。


6.根据权利要求1或2所述的一种光栅平动结构光三维测量系统，其特征在于，所述位移检测器(8)采用MTE-40光栅检测器。


7.一种如权利要求1所述的光栅平动结构光三维测量系统的三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：所述照明光源(5)发出光线，经过所述平动光栅片(6)后通过所述投射镜头(1)向目标物体发射结构光；所述纹理RGB相机(2)采集所述目标物体的纹理数据；
S2：所述控制器控制所述微型电机(7)驱动所述平动光栅片(6)在所述轨道支架上进行周期性运动，并通过所述IR采集相机(4)同步采集所述目标物体反射回的结构光图像；
S3：对所述结构光图像进行预处理以及相位解算，获取所述目标物体的相位信息；所述预处理包括边缘分析以及图像傅里叶变换；
S4：根据所述相位信息生成点云，并根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕坤，郭燕琼，张娜，朱江平，游迪，蒋西，程鹏，杜鹏宇，
申请(专利权)人：四川川大智胜软件股份有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51