一种基于达曼光栅的彩色三维轮廓测量装置和方法。该装置采用达曼光栅作为核心光学元器件，将红外激光器发出的一束激光分成规则的激光光斑阵列，以此激光光斑阵列作为投影结构光进行测量。两个装有窄带通滤波片的黑白数码相机用于拍摄激光点阵以重构被测物体的三维轮廓，一个装有红外截止滤波片的彩色数码相机用于记录被测物体的真彩色信息。本发明专利技术具有体积小、成本低和测量速度快等优点，有望在三维建模、目标识别、目标跟踪、动作捕获、人机交互等领域得到广泛应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及计算机视觉领域，具体地说是涉及一种测量物体的三维轮廓和彩色信 息的装置与方法。
技术介绍
随着三维打印技术的普及，民用级三维轮廓扫描仪的需求日益增长。传统的光学 三维轮廓测量方法，如条纹投影法、光刀扫描法、编码结构光法等，已经广泛应用于工业生 产过程中，然而对于家庭娱乐或者日常办公而言，传统的光学三维轮廓测量技术通常需要 投影仪，或者需要精密的机电定位装置，不利于扫描仪的小型化和低成本化。衍射光学元 件（diffractive optical element，DOE)广泛用于激光光束的整形，也可用于产生三维 轮廓测量所需的结构光，而且具有体积小、批量生产成本低的优点。以色列的Primesense 公司于2005年提出了一种利用特殊DOE产生伪随机散斑的来进行三维轮廓测量的方法， 与微软公司合作推出了 Kinect -代体感传感器，并在民用级三维轮廓测量和动作捕获的 市场上取得了巨大的成功。为了与微软的Kinect争夺市场，Google公司推出了 Tango project计划，Apple公司推出了 Itseez3D系列产品，产生结构光的核心器件均为特制的 D0E。综上所述，由于低成本和小体积的需求，采用DOE产生结构光是民用级的三维扫描仪 主流技术路线。由于三维重建算法与结构光的种类密切相关，因此一种新的可用于三维 轮廓测量的结构光的提出总要伴随与之对应的算法。在众多种DOE中，达曼光栅【在先技 术 I :H. Dammann and K. Gortler, Opt. Comm.，1971，3 (3) : 312 ~315】能将入射的一束激光 分束分为MXN束激光（其中M，N为正整数），且每束激光的光强接近相等。周常河等人 提出了分束比从2X2到64X64的达曼光栅结构参数【在先技术2:(：.211 〇11，1^1^11，?？1· Opt.，1995, 34(26)，5961~5969】。王少卿提出通过组合达曼光栅的方式产生更高分束 比【在先技术3:王少卿等，组合达曼光栅，中国专利技术专利CN 10256605】。在三维轮廓测量 方面，提出了通过一个数码相机和一个达曼光栅组成的三维轮廓测量方法【在先技术4 :王 少卿等，】，其结构光为激光光斑点阵，该方法能够测量表面起伏较小的物体，但在测量表面 起伏较大或是阶跃型轮廓的物体时，由于激光光斑的歧义性（无法分辨图像上的激光光 斑的确切衍射级次），将无法得到正确的三维轮廓信息。张军等人提出一种利用达曼光栅 产生傅里叶条纹的三维轮廓测量方法【在先技术5 :上21^叩，(：.211〇11311(1乂.13叩，4口口1· Opt.，2009, 48 (19)，3709~3715】，此方法在测量阶跃型物体或是多个物体时会失效，原因 是计算三维轮廓时会遇到相位歧义性的困扰。王少卿等人提出一种结合双目立体视觉和达 曼激光点阵的三维测量方法【在先技术6:王少卿等，基于达曼光栅的物体三维轮廓测量装 置及测量方法，中国专利技术专利CN 10254347A】，该方法成功解决了前两种方法遇到的歧义性 问题，因此可以用于测量表面轮廓复杂或是阶跃型轮廓的物体，也可同时测量多个物体，但 是该技术并未明确给出在测量三维轮廓时同时测量被测物的彩色信息的方法。 对于家用娱乐或者普通办公而言，附带颜色信息的三维轮廓能给用户更好的体 验。对于民用级三维轮廓扫描仪而言，彩色数码相机拍摄得到RGB三色分量足以描述物体 的颜色。在三维轮廓测量过程中，投影的结构光会改变物体表面的颜色，若要同时测量物体 的颜色信息，一般通过两种方法解决：一是投影红外结构光，在用于获取物体颜色信息的彩 色数码相机前加上红外截止滤波片即可；二是通过频闪结构光的方式，先投影结构光，同时 拍摄结构光的图像用于计算三维轮廓，再关闭结构光拍摄彩色图像用于计算物体的颜色信 息。前一种方法只需要保持红外结构光常亮即可，且理论上最高扫描帧速度可以达到相机 的最高帧速度，但是需要额外添加专门负责拍摄彩色图像的彩色数码相机；后一种方法虽 然不需要额外的彩色相机，但是需要加入频闪电路模块以同步控制相机和投影单元，而且 需要两帧图像才能得到一帧彩色三维点云，因此理论上最高扫描帧速度只能达到相机最高 帧速度的一半。考虑到相机成本的日益降低以及测量人脸时对用户的友好性，投影红外结 构光的方法将会是一个具备竞争力的技术方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于达曼光栅的彩色三维轮廓 测量装置与测量方法。该装置具有测量精度高、颜色信息准确、扫描速度快、彩色三维模型 重建计算代价小、成本低、结构紧凑等优点。 本专利技术的技术解决方案如下： -种基于达曼光栅的彩色三维轮廓测量装置，其特点在于该装置包括：激光投影 单元、两个具有窄带通滤波片的左黑白数码相机和右黑白数码相机、具有红外截止滤波片 的彩色数码相机、相机控制模块、图像处理模块、数据存储模块和数据传输模块； 所述的激光投影单元包含红外半导体激光器、准直透镜、达曼光栅或是由数片达 曼光栅组合而成的组合达曼光栅，该红外半导体激光器发出的光束依次经所述的准直透 镜、达曼光栅或组合达曼光栅后投影在被测物体上形成激光光斑陈列； 所述的相机控制模块用于向左黑白数码相机、右黑白数码相机和彩色数码相机发 送同步触发信号，使得左黑白数码相机、右黑白数码相机和彩色数码相机同步采集被测物 体表面图像，并输入所述的图像处理模块； 所述的数据存储模块用于存储经图像处理模块处理后的数据； 所述的数据传输模块将经图像处理模块处理后的数据或数据存储模块存储的数 据传输到云端服务器或者计算机上，传输方式支持有线传输和无线传输。 所述的激光投影单元还包括扩束透镜。 所述的达曼光栅能将一束红外激光分成MXN束红外激光阵列，该红外激光阵列 投影在物体上即形成激光光斑阵列，其中M和N为正整数。 所述的图像处理模块可集成在计算机上。 所述相机控制模块、图像处理模块、数据存储模块和数据传输模块包括实现对应 功能所需的硬件、软件、算法或其组合。 所述的黑白数码相机用于拍摄红外图像，其镜头或者感光元件上的窄带通滤波片 能够通过从被测物体表面反射的红外激光，而波长不在窄带通滤光片通光窗口内的光则被 过滤掉。 所述的彩色数码相机用于拍摄彩色图像，其镜头或者感光元件上的红外截止滤波 片能够通过可见光并同时过滤掉从被测物体表面反射回来的红外激光。 所述图像处理模块根据具体测量需求，可以选择以下几种由简到繁的处理程度： ①不对图像做处理； ②仅提取激光光斑，计算激光光斑在图像坐标系下的坐标； ③在②的基础上计算出点云的三维坐标； ④在③的基础上计算出点云的彩色信息。 利用所述的彩色三维轮廓测量装置对彩色三维轮廓进行测量的方法，其特点在 于，该方法包括如下步骤： 步骤1、在装置搭建好后进行一次激光光斑预标定； 步骤2、在测量过程中，使光束投影至被测物体形成激光光斑阵列，相机控制模块 控制三个数码相机同时采集红外图像及彩色图像，并传输至图像处理模块； 步骤3、经图像处理模块处理后得到物体轮廓的彩色点云； 步骤4、将步骤3得到的物体轮廓的彩色点云存储在数据存储模块上或通过数据 传输模块传输到云端服务器或者计算机上本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于达曼光栅的彩色三维轮廓测量装置，其特征在于该装置包括：激光投影单元(1)、两个具有窄带通滤波片(9)的左黑白数码相机(2A)和右黑白数码相机(2B)、具有红外截止滤波片(10)的彩色数码相机(3)、相机控制模块(5)、图像处理模块(6)、数据存储模块(7)和数据传输模块(8)；所述的激光投影单元(1)包含红外半导体激光器(11)、准直透镜(12)、达曼光栅或是由数片达曼光栅组合而成的组合达曼光栅(13)，该红外半导体激光器(11)发出的光束依次经所述的准直透镜(12)、达曼光栅或组合达曼光栅(13)后投影在被测物体(4)上形成激光光斑陈列；所述的相机控制模块(5)用于向左黑白数码相机(2A)、右黑白数码相机(2B)和彩色数码相机(3)发送同步触发信号，使得左黑白数码相机(2A)、右黑白数码相机(2B)和彩色数码相机同步采集被测物体(4)表面图像，并输入所述的图像处理模块(6)；所述的数据存储模块(7)用于存储经图像处理模块(6)处理后的数据；所述的数据传输模块(8)将经图像处理模块(6)处理后的数据或数据存储模块(7)存储的数据传输到云端服务器或者计算机上，传输方式支持有线传输和无线传输。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：韦盛斌，周常河，王少卿，刘昆，范鑫，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31
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