本發(fā)明涉及三維測(cè)量領(lǐng)域，特別涉及一種基于振鏡的三維掃描儀。

背景技術(shù)：

從數(shù)字圖像中計(jì)算物體面形三維數(shù)據(jù)是光學(xué)三維傳感領(lǐng)域長(zhǎng)期研究的焦點(diǎn)。在工業(yè)測(cè)量、逆向工程、視覺(jué)導(dǎo)航、航空航天、影視娛樂(lè)、虛擬現(xiàn)實(shí)、整形美容等領(lǐng)域均有應(yīng)用，低成本的三維掃描儀受到了極大關(guān)注。微軟kinect和英特爾RealSense屬于消費(fèi)類三維形狀獲取設(shè)備，主要面向體感、大場(chǎng)景建模等對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度要求不高的應(yīng)用。目前，高精度三維掃描儀通常價(jià)格昂貴、體積大，而成本低、體積小、精度適中的三維掃描儀產(chǎn)品嚴(yán)重匱乏。

三維掃描儀一般采用主動(dòng)結(jié)構(gòu)光投影技術(shù)，影響三維掃描儀的成本和體積的重要因素是結(jié)構(gòu)光投影模塊，目前該模塊的常見(jiàn)形式為商用投影儀、工業(yè)投影儀，并非針對(duì)條紋結(jié)構(gòu)光投影技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。條紋結(jié)構(gòu)光投影技術(shù)要求所投影結(jié)構(gòu)光序列中部分結(jié)構(gòu)光照明光場(chǎng)能量符合正弦分布(如在水平或垂直方向上符合正弦分布)，需要投影多幀結(jié)構(gòu)光模式，因此作為關(guān)鍵技術(shù)元素的結(jié)構(gòu)光投影模塊并不同時(shí)具備成本低、體積小、可實(shí)現(xiàn)多幀結(jié)構(gòu)光模式投影的特點(diǎn)。

振鏡是一種新型的投影器件，具有體積小、成本低、功耗低的特點(diǎn)，能夠完成多幀結(jié)構(gòu)光模式投影，是實(shí)現(xiàn)低成本小型三維掃描儀一種重要實(shí)現(xiàn)方式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有絕大多數(shù)投影技術(shù)不適用于投影條紋結(jié)構(gòu)光，或者能投影條紋結(jié)構(gòu)光但體積大或者功耗高，或者成本較高的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種同時(shí)兼具成本低、體積小和可實(shí)現(xiàn)多幀結(jié)構(gòu)光模式投影的基于振鏡的三維掃描儀。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：

一種基于振鏡的三維掃描儀，包括振鏡、振鏡驅(qū)動(dòng)電路、系統(tǒng)控制電路及相機(jī)；所述振鏡與所述振鏡驅(qū)動(dòng)電路連接，接收并響應(yīng)所述振鏡驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出的振鏡驅(qū)動(dòng)信號(hào)；所述振鏡驅(qū)動(dòng)電路與所述系統(tǒng)控制電路連接，接收并響應(yīng)所述系統(tǒng)控制電路發(fā)出的振鏡控制信號(hào)；所述相機(jī)與所述系統(tǒng)控制電路連接，接收并響應(yīng)所述系統(tǒng)控制電路發(fā)出的外觸發(fā)信號(hào)；所述系統(tǒng)控制電路接收外部控制命令。

進(jìn)一步的，所述外部控制命令來(lái)源于主控硬件系統(tǒng)，所述主控硬件系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)和嵌入式系統(tǒng)板。

進(jìn)一步的，所述系統(tǒng)控制電路接收所述外部命令，通過(guò)振鏡控制信號(hào)和外觸發(fā)信號(hào)協(xié)調(diào)振鏡和相機(jī)工作，使得振鏡投影結(jié)構(gòu)光與相機(jī)拍照保持同步。

進(jìn)一步的，所述系統(tǒng)控制電路通過(guò)所述振鏡控制信號(hào)調(diào)節(jié)所述振鏡的光場(chǎng)能量分布。例如，振鏡控制信號(hào)可以控制輸出光能量在行方向上為正弦分布、鋸齒波分布或根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景需求的其他編碼方案。

進(jìn)一步的，所述振鏡控制信號(hào)為預(yù)置信號(hào)，預(yù)置信號(hào)的生成通過(guò)預(yù)先校準(zhǔn)得到。校準(zhǔn)過(guò)程為建立反映光強(qiáng)控制信號(hào)與振鏡輸出光能量關(guān)系的查找表。在振鏡掃描過(guò)程中，根據(jù)所希望輸出的光能量在所述查找表中查詢獲得振鏡光強(qiáng)控制信號(hào)并輸出。使用查找表技術(shù)，可精確生成所需光能量分布的出射光場(chǎng)。

進(jìn)一步的，所述振鏡控制信號(hào)為高頻信號(hào)，振鏡內(nèi)部光源選用可高速進(jìn)行功率調(diào)制的光源，輸出光能量調(diào)制頻率遠(yuǎn)高于振鏡掃描頻率。在振鏡掃描過(guò)程中，可以遠(yuǎn)高于振鏡掃描的速度調(diào)節(jié)光源功率來(lái)控制振鏡輸出的光場(chǎng)能量分布，能量分布更加細(xì)膩平滑。

進(jìn)一步的，所述振鏡為二維掃描振鏡或一維掃描振鏡。二維掃描振鏡可投射復(fù)雜結(jié)構(gòu)光光場(chǎng)，結(jié)構(gòu)光光場(chǎng)模式由振鏡控制信號(hào)決定。一維掃描振鏡所投影結(jié)構(gòu)光光場(chǎng)在一維方向上的光能量分布由振鏡控制信號(hào)決定。

進(jìn)一步的，所述振鏡驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制所述振鏡內(nèi)部激光器的功率和振鏡內(nèi)部反射鏡的角度。

可選的，所述振鏡光源包括可見(jiàn)光源和/或紅外光源，根據(jù)振鏡內(nèi)激光器選型而定。據(jù)此，所述三維掃描儀包括可見(jiàn)光三維掃描儀和紅外光三維掃描儀。

進(jìn)一步的，所述振鏡具有高幀頻的特點(diǎn)，一維掃描振鏡的幀頻達(dá)幾千幀，而且掃描幀頻會(huì)隨著振鏡相關(guān)技術(shù)與工藝水平的提高而提高。在同步進(jìn)行振鏡掃描和相機(jī)拍照時(shí)，所述相機(jī)曝光時(shí)間為振鏡掃描周期的整數(shù)倍。

進(jìn)一步的，所述相機(jī)的數(shù)量為1臺(tái)以上，所述相機(jī)均分別與所述系統(tǒng)控制電路連接，進(jìn)而提供一種單目或多目三維掃描儀方案。所述系統(tǒng)控制電路接收外部控制命令，向1臺(tái)或多臺(tái)相機(jī)同時(shí)發(fā)出外觸發(fā)信號(hào)，1臺(tái)或多臺(tái)相機(jī)同時(shí)拍照。

可選的，所述相機(jī)的數(shù)量為2臺(tái)。

進(jìn)一步的，從所述相機(jī)輸出圖像陣列。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

振鏡具有高幀頻的特點(diǎn)，相比現(xiàn)有三維掃描儀，該基于振鏡的三維掃描儀能夠有效完成多幀結(jié)構(gòu)光模式投影與同步拍照，同時(shí)具有體積小、成本低、功耗低的特點(diǎn)。通過(guò)振鏡控制信號(hào)，該掃描儀能夠按照具體需求控制結(jié)構(gòu)光光場(chǎng)模式或能量分布。通過(guò)增加相機(jī)數(shù)量可實(shí)現(xiàn)多目三維掃描方案。

附圖說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明基于振鏡的三維掃描儀原理圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1所示一種典型投影拍攝時(shí)序圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例2所示雙目方案投影拍攝時(shí)序圖。

圖中標(biāo)記：100-振鏡，200-振鏡驅(qū)動(dòng)電路，300-系統(tǒng)控制電路，401-第一相機(jī)，402-第二相機(jī)，500-結(jié)構(gòu)光光場(chǎng)示例。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合試驗(yàn)例及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例，凡基于本發(fā)明內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1

一種基于振鏡的三維掃描儀，如圖1實(shí)線部分所示，包括振鏡100、振鏡驅(qū)動(dòng)電路200、系統(tǒng)控制電路300及第一相機(jī)401；所述振鏡100與所述振鏡驅(qū)動(dòng)電路200連接，接收并響應(yīng)所述振鏡驅(qū)動(dòng)電路200發(fā)出的振鏡驅(qū)動(dòng)信號(hào)；所述振鏡驅(qū)動(dòng)電路200與所述系統(tǒng)控制電路300連接，接收并響應(yīng)所述系統(tǒng)控制電路300發(fā)出的振鏡控制信號(hào)；所述第一相機(jī)401與所述系統(tǒng)控制電路300連接，接收并響應(yīng)所述系統(tǒng)控制電路300發(fā)出的外觸發(fā)信號(hào)；所述系統(tǒng)控制電路300接收外部控制命令Sig-in。所述外部控制命令Sig-in來(lái)源于主控硬件系統(tǒng)，所述主控硬件系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)和嵌入式系統(tǒng)板。

所述系統(tǒng)控制電路300接收所述外部命令，通過(guò)振鏡控制信號(hào)和外觸發(fā)信號(hào)協(xié)調(diào)振鏡100和第一相機(jī)401工作，使得振鏡100投影結(jié)構(gòu)光與第一相機(jī)401拍照保持同步。振鏡控制信號(hào)可以控制輸出光能量在行方向上為正弦分布、鋸齒波分布或其他編碼方案。如圖2所示，在單次三維掃描重建物面三維面形過(guò)程中，振鏡100投影13幅圖像，其中前12幅為條紋圖，與時(shí)間相位展開(kāi)算法所規(guī)定的正弦條紋模式相對(duì)應(yīng)，第13幅為白場(chǎng)，用于紋理拍攝時(shí)照明。振鏡100投影結(jié)構(gòu)光與第一相機(jī)401拍照同步。

所述系統(tǒng)控制電路300通過(guò)所述振鏡控制信號(hào)調(diào)節(jié)所述振鏡100的光場(chǎng)能量分布。

所述系統(tǒng)控制電路300所發(fā)送的振鏡控制信號(hào)為預(yù)置信號(hào)，預(yù)置信號(hào)的生成通過(guò)預(yù)先校準(zhǔn)得到。校準(zhǔn)過(guò)程為建立反映振鏡控制信號(hào)與振鏡100輸出光能量關(guān)系的查找表。在振鏡100掃描過(guò)程中，根據(jù)所希望輸出的光能量在所述查找表中查詢獲得振鏡控制信號(hào)并輸出。使用查找表技術(shù)，可按需精確生成所需光能量分布的出射光場(chǎng)。

所述系統(tǒng)控制電路300所發(fā)送的振鏡控制信號(hào)為高頻信號(hào)，振鏡內(nèi)部光源選用可高速進(jìn)行功率調(diào)制的光源，輸出光能量調(diào)制頻率可遠(yuǎn)高于振鏡掃描頻率。在振鏡100掃描過(guò)程中，可以遠(yuǎn)高于振鏡掃描的速度調(diào)節(jié)光源功率來(lái)控制振鏡輸出的光場(chǎng)能量分布，能量分布細(xì)膩平滑。

所述振鏡100為二維掃描振鏡。二維掃描振鏡可投射復(fù)雜結(jié)構(gòu)光光場(chǎng)，結(jié)構(gòu)光光場(chǎng)模式由振鏡控制信號(hào)決定。

所述振鏡驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制所述振鏡100內(nèi)部激光器的功率和振鏡100內(nèi)部反射鏡的角度。

所述振鏡100光源為可見(jiàn)光源，振鏡內(nèi)激光器為可見(jiàn)光激光器。該三維掃描儀為可見(jiàn)光三維掃描儀。

所述振鏡100具有高幀頻的特點(diǎn)，一維掃描振鏡的幀頻達(dá)幾千幀，而且掃描幀頻會(huì)隨著技術(shù)與工藝水平的提高而提高。。在同步進(jìn)行振鏡100掃描和第一相機(jī)401拍照時(shí)，所述第一相機(jī)401曝光時(shí)間為振鏡100掃描周期的整數(shù)倍。

所述第一相機(jī)401拍照完成后，從第一相機(jī)401輸出圖像序列Sig-out。

實(shí)施例2

如圖1實(shí)線加虛線部分所示，實(shí)施例2與實(shí)施例1的區(qū)別在于，提供一種雙目三維掃描儀方案，還包括第二相機(jī)402，所述第二相機(jī)402與第一相機(jī)401分別與系統(tǒng)控制電路300連接。所述系統(tǒng)控制電路300接收外部控制命令Sig-in，向第一相機(jī)401、第二相機(jī)402同時(shí)發(fā)出外觸發(fā)信號(hào)，2臺(tái)相機(jī)同時(shí)拍照，時(shí)序圖如圖3所示。拍照完成后，從第一相機(jī)401和第二相機(jī)402輸出圖像序列Sig-out。多目三維掃描儀方案參照本實(shí)施例2雙目三維掃描儀方案，只需增加相機(jī)數(shù)量，多臺(tái)相機(jī)分別與系統(tǒng)控制電路300連接即可，系統(tǒng)控制與信號(hào)傳輸過(guò)程一致。

實(shí)施例3

實(shí)施例3與實(shí)施例1、2的區(qū)別在于，所述振鏡100為一維掃描振鏡，一維掃描振鏡所投影結(jié)構(gòu)光光場(chǎng)在一維方向上的光能量分布由振鏡控制信號(hào)決定。

實(shí)施例4

實(shí)施例4與上述實(shí)施例的區(qū)別在于，所述振鏡100光源為紅外光源，振鏡內(nèi)激光器為紅外光激光器。該三維掃描儀為紅外光三維掃描儀。