一种获取深度信息的方法、扫描装置及应用制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种获取深度信息的方法，包括以下步骤，光发生器将产生的光投射在被测面进行扫描，该光源在周期内发生可预测的变化；图像传感器拍摄被测面，以获取被测面各个区域的反射光线的光强；在光源周期性变化下，光敏器件阵列获取的反射光线的光强发生变化；极值时刻计算单元根据光敏器件阵列获取的光强信息判断照射在被测面每个区域的光强极值发生时刻；通过极值发生时刻确定投射至对应每个区域的光敏器件的光线所在的平面；确定光敏器件所在的直线；计算直线和平面的交点，以确定被测面的空间坐标。本发明专利技术又公开了一种获取深度信息的扫描装置及获取深度信息的方法的应用。本发明专利技术后续计算量小，分辨率高，抗环境光干扰能力强。能力强。能力强。

【技术实现步骤摘要】
一种获取深度信息的方法、扫描装置及应用


[0001]本专利技术属于三维图像扫描
，尤其是涉及一种获取深度信息的方法、扫描装置及应用。

技术介绍

[0002]三维扫描技术被广泛应用于人机交互、物体识别、人脸识别、产品质量检测、三维建模等领域。从测量方法的基本物理原理上进行分类，主要包括三角测量法、飞行时间法、对焦深度法、共焦法，以及干涉法。
[0003]三角测量法是目前应用最为广泛的近距三维扫描技术，主要包含主动式的结构光技术，以及被动式立体视觉技术。结构光技术通过拍摄被投射了已知光线图案或图案序列的被测物体表面，重构物体表面的三维形貌。作为一种主动式三维重构技术，结构光技术相比于被动式立体视觉技术，能更好地适应不同反射率和纹理的物体表面。在工业等对数据可靠性和完整性要求高的场合中，结构光技术的应用更为广泛。
[0004]结构光技术可按照其投影光的维度，分为点结构光，线结构光，以及面结构光。由于点结构光、线结构光在实践中往往采用激光光源，因此通常被称之为点激光和线激光传感器，二者均已在工业在线检测中大规模应用。点激光传感器常常被用于测量单点的高度值。而线激光传感器常常被用于测量物体横截面的轮廓，因此也被称作二维轮廓传感器。
[0005]线激光传感器必须通过移动被测物体或传感器，才能获取面阵三维数据。因此，对于一些需要获取面阵三维数据的应用，如物体识别、三维尺寸检测等场合，线激光技术相比于面阵结构光技术扫描速度慢，系统更加复杂。
[0006]按照投影的图案分类，面阵结构光技术可分为随机投影和编码投影，或这两种投影方式的混合形式。随机投影的面阵结构光技术是一种通过主动光源投影来增强物体表面纹理，以提高匹配成功率的立体视觉技术。随机投影的面阵结构光最少只需要一次投影和拍摄就能完成三维重构，但由于纹理的离散特性和不确定性，其三维数据的有效分辨率、完整性、精度较差。编码投影的面阵结构光技术通过多次投影和拍摄，将像素在投影单元的坐标编码后分时投影至物体表面，经拍摄后解码，再还原为坐标信息。其编码方式通常包括二进制码和相位调制条纹。编码投影多次曝光和拍摄带来的信息十分丰富，若采用移相法还可获得高于像素分辨率的相位信息，其有效分辨率、完整性、精度普遍高于随机投影的面阵结构光技术。但由于需要多次拍摄，编码投影的面阵结构光技术无法拍摄高速移动中的物体，其拍摄速度远低于随机投影的面阵结构光技术，重构计算所需要的时间也更长。
[0007]近年来关于面阵结构光技术的大部分创新主要集中于以下几个方面：
[0008](1)改进投影图案以及解算算法；
[0009](2)改变计算平台和电子硬件架构以提升处理速度和精度；
[0010](3)尝试将随机投影和编码投影混合。
[0011]PETERSEN JENS等人通过旋转随机的投影图案进行多次拍摄以及基于概率计算的方法WO2017220595(A1)，提供一种能够在精度和速度的平衡上进行灵活调整的结构光技
术。虽然该方法大幅提高了随机投影所能实现的测量精度，为系统带来了更大的灵活性，但在高精度测量时，其精度/时间的效费比仍然比编码投影方法低。
[0012]VOIGT RAINER提出了随机投影和编码投影相结合，并采用多次投影和拍摄的方法DE102016113228(A1)。该方法有效提升了数据的完整性和可靠性，但拍摄速度显著降低，丧失了随机投影技术能够拍摄运动中物体的优点。
[0013]SCHUMANN
‑
OLSEN HENRIK等人通过GPU并行运算技术与Pipe Line方法WO2017125507(A1)，提高了编码投影面阵结构光技术的计算速度。该方法的性能依赖于计算机硬件的性能，提高了计算机硬件的成本和体积。
[0014]SONG ZHANG提出通过失焦的二进制条纹替代正弦条纹，以突破投影器件在投影多比特深度图片时的速度限制，将编码投影面阵结构光技术的拍摄帧率提高到几百FPS(Song Zhang,"High
‑
resolution 3Dprofilometry with binary phase
‑
shifting methods,"Appl.Opt.50,1753
‑
1757(2011))。此方法显著牺牲了系统的测量景深和精度，仍然需要多次曝光才能完成一次解算。并且，其相位拼接依赖于被测物体表面的连续性，如需测量包含多个不连续面的场景，仍然需要增加投影条纹数量，将降低其测量速度的优势。
[0015]上述改进措施往往以牺牲某一性能指标为前提，提升另一性能指标，或是对于硬件和算法进行工程性质的改进，性能的提升幅度较为有限。这些改进本质上是在对面阵结构光技术进行调校，使其特性符合某一特定应用场景的需求，但均无法突破随机投影和编码投影原理所带来的局限性。
[0016]目前尚无一种结构光技术，能够实现高分辨率、高精度的动态物体三维扫描。

技术实现思路

[0017]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种在不降低三维数据像素分辨率的前提下，实现对动态物体的高精度三维扫描，适用性更广的获取深度信息的方法、获取深度信息的扫描装置，及获取深度信息的方法的应用。
[0018]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种获取深度信息的方法，包括以下步骤：
[0019]光发生器将产生的光投射在被测面进行扫描，该光源在周期内发生可预测的变化；
[0020]图像传感器拍摄被测面，被测面的多个区域的反射光线分别投射至光敏器件阵列，以获取被测面各个区域的反射光线的光强；
[0021]在光源周期性变化下，所述光敏器件阵列获取的反射光线的光强发生变化；
[0022]极值时刻计算单元根据光敏器件阵列获取的光强信息判断照射在被测面每个区域的光强极值发生时刻，该极值为光强的极大值或极小值；
[0023]通过极值发生时刻确定投射至对应每个区域的光敏器件的光线所在的平面；
[0024]确定光敏器件所在的直线；
[0025]根据上述直线和平面计算两者的交点，以确定被测面的空间坐标。
[0026]进一步的，光投射在反射面；
[0027]反射面以光发生器所在平面和反射面所在平面相交的直线为轴心旋转，将光以不同的角度投射至被测面进行扫描。
[0028]进一步的，所述光源为沿被测面移动的线状光源。
[0029]进一步的，所述线状光源为一条亮线向任意方向移动，或者为一条具有一定宽度的亮带向任意方向移动，或者为在明亮背景中的一条暗线向任意方向移动，或者为在明亮背景中的一条具有一定宽度的暗带向任意方向移动。
[0030]进一步的，所述光源为面阵光控制器控制的变化图案。
[0031]进一步的，所述极值时刻计算单元通过模数转换单元进行连续的模数转换，获取光敏器件在光扫描过程中不同时刻的光强值的离散序列，通过对离散序列的分析得到光强极值所在的序列编号nMax，再通过模数转换的时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种获取深度信息的方法，其特征在于，包括以下步骤：光发生器将产生的光投射在被测面进行扫描，该光源在周期内发生可预测的变化；图像传感器拍摄被测面，被测面的多个区域的反射光线分别投射至光敏器件阵列，以获取被测面各个区域的反射光线的光强；在光源周期性变化下，所述光敏器件阵列获取的反射光线的光强发生变化；极值时刻计算单元根据光敏器件阵列获取的光强信息判断照射在被测面每个区域的光强极值发生时刻，该极值为光强的极大值或极小值；通过极值发生时刻确定投射至对应每个区域的光敏器件的光线所在的平面；确定光敏器件所在的直线；根据上述直线和平面计算两者的交点，以确定被测面的空间坐标。2.根据权利要求1所述的获取深度信息的方法，其特征在于：光投射在反射面；反射面以光发生器所在平面和反射面所在平面相交的直线为轴心旋转，将光以不同的角度投射至被测面进行扫描。3.根据权利要求2所述的获取深度信息的方法，其特征在于：所述光源为沿被测面移动的线状光源。4.根据权利要求3所述的获取深度信息的方法，其特征在于：所述线状光源为一条亮线向任意方向移动，或者为一条具有一定宽度的亮带向任意方向移动，或者为在明亮背景中的一条暗线向任意方向移动，或者为在明亮背景中的一条具有一定宽度的暗带向任意方向移动。5.根据权利要求1所述的获取深度信息的方法，其特征在于：所述光源为面阵光控制器控制的变化图案。6.根据权利要求1所述的获取深度信息的方法，其特征在于：所述极值时刻计算单元通过模数转换单元进行连续的模数转换，获取光敏器件在光扫描过程中不同时刻的光强值的离散序列，通过对离散序列的分析得到光强极值所在的序列编号nMax，再通过模数转换的时间间隔，得到光强极值发生时刻。7.根据权利要求1所述的获取深度信息的方法，其特征在于：所述极值时刻计算单元通过模拟电路实现，该模拟电路包括比较器U1，跟随器U2，分别与比较器U1的输出端连接的第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴笛，
申请(专利权)人：上海盛相工业检测科技有限公司，
类型：发明
国别省市：