一种动态物体的三维测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种动态物体的三维测量系统，包括时钟同步控制器，ＤＬＰ投影仪，二个ＣＣＤ相机，图像采集卡和计算机；其中，ＤＬＰ投影仪去掉了用于生产彩色图像的色轮，ＣＣＤ相机的光心轴与ＤＬＰ投影仪的光心轴夹角均在２０至６０度之间，并且测量时保持ＤＬＰ投影仪与ＣＣＤ相机的相对位置不变；计算机为带有基于计算统一设备构架的图形显卡；时钟同步控制器分别与ＤＬＰ投影仪和ＣＣＤ相机相连，ＤＬＰ投影仪与计算机相连，ＣＣＤ相机均通过图像采集卡与计算机相连。该系统的最显著地特征是测量速度快，能实时的计算并显示动态物体的三维信息。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于精密测量领域，具体涉及一种动态物体的三维测量系统，可以对运动 中的物体进行实时的三维测量。
技术介绍
随着计算机科学与技术的高速发展，动态物体三维测量技术在许多行业中有着越 来越广泛的应用前景。在工业自动化领域，可利用该技术对生产线进行实时监测，及时发现 生产中的质量问题；在体育运动分析、医疗、三维游戏及电影特技等领域，可利用该技术测 量人体或动物在运动过程中的形态、表情特征，并实现三维数字化处理；在汽车安全性测试 试验中，也可采用该技术对汽车碰撞测试进行完整的三维测量，由计算机辅助分析碰撞过 程中的应力应变数据，帮助设计人员改进相关设计，提高汽车的安全性。该技术的进步将对 许多行业的发展带来帮助。在动态物体三维测量技术中，实现实时测量具有特别重要的意义。如在生产线在 线监测过程中，三维测量速度如果不能跟上生产线运行的速度，测量将失去意义。在体育运 动分析、医疗等领域虽然不需要如此强的实时性要求，但由于测量数据数量庞大，如果不能 把计算时间控制在适当的范围内，计算机三维测量就不能及时反馈给使用人员测量信息， 后继工作将无法进行，因此这些领域也需要三维测量具备弱实时性。结构光测量技术由于本身具有的一些优点，完全适合在动态过程测量的研究中 加以开发利用。上世纪八十年代，当美洲和亚洲国家致力于研究激光三维测量技术时，德 国已开始对面结构光三维测量技术进行研究。1985年，位于德国Munich-Karlsfeld的 M.A. N.光学测量技术中心率先利用相移干涉法(Phase Shift Interferometry, PSI)实 现了变形测量和振动分析。1986年，该中心的研究人员Dr. Breuckmann将PSI技术引入 三维形貌测量，形成了一种新的三维形貌测量技术相位测量轮廓术(PMP)，并成立了自 己的实验室，专门从事此技术方面的研究。近20年内相继推出了不同型号的测量系统， 并在工业检测、文物数字化、人体测量等多个领域得到了广泛的应用。除Dr. Breuckmarm 以夕卜，Dr. Steinbichler、Dr. Wolf 及德国 TechnicalUniversity of Braunschweig 的 Reinhold Ritter教授，也是结构光测量
的先驱，他们在上世纪九十年代分别成立 了 SteinbichlerGmbH、Dr. WolfGmbH和GOM GmbH,并相继推出了多款结构光测量系统,如 Steinbichler GmbH的C0MET5型结构光三维测量系统、GOMGmbH的Atos-II型结构光三维 测量系统等。但是上述商品化的结构光测量系统在测量过程中均需要拍摄多张图像，处理 时间需要数秒钟，不能满足动态物体实时测量的需求。目前动态物体实时的三维测量技术在世界范围内还不是很成熟，但是近年来发展 迅速。从目前的发展趋势来看，基于面结构光的动态物体三维测量技术主要可以分为两大 类(1)使用单幅图像进行三维重建；(2)使用多幅图像进行三维重建。目前已有很多研究单位对使用单幅图像进行动态物体三维测量的方法进行了研 究。2006年，德国西门子研发中心开发出了一套基于彩色编码原理的实时三维结构光测量系统。该系统由单相机-单投影仪组成，测量时向被测物体投射一张彩色编码图像，然后通 过对拍摄的彩色图像进行解码和立体匹配重建出被测物体的三维形貌，该系统的分辨率为 640 X 400，测量速度为每秒17-25帧，但计算过程为离线处理，需耗费较长的时间。2008年， 日本大阪大学的Ryusuke Sagawa、埼玉大学的Hiroshi Kawasaki和广岛工业大学的Ryo Furukawa等人共同开发了一种使用彩色网格图像实现缓慢变化物体测量的结构光系统，该 系统能够成功测得缓慢变化的人脸表情，测量误差为0. 52mm。南京理工大学的贺安之教授 在2007年提出了一套基于彩色相位移原理的动态三维形貌测量系统，并成功实现动态的 物体的三维重构。浙江工业大学的陈胜勇教授在2008年也开发了一种基于彩色条纹编码 原理的面结构光测量系统，该系统在普通的硬件条件下实现了对慢速物体的形貌测量。上 述几种单幅测量技术均使用彩色编码图案，测量精度一般会受被测物体表面颜色的影响， 并且上述几种方法的处理算法均较为复杂，目前还无法实现实时处理。另外一种使用单幅图像进行三维测量的方法是基于Takeda和Moutoh于1983年 提出的傅立叶变换轮廓术(Fourier Transform Profilometry，FTP)。国内四川大学光电 技术研究所的苏显渝教授及其课题组，将FTP方法运用到动态物体三维面形测量中，并成 功的测量了处于呼吸过程中、变化速度较慢的人体胸腔起伏变化的情况；在流体力学测量 领域，完整测量和再现了液体漩涡的生成和加深的过程。而且，为材料变形、爆破过程、碰撞 变形等领域的三维测量和研究提供了一种新的方法。该课题组在高速动态测量领域处于领 先水平，但是由于FTP的固有特性，该方法在测量复杂物体方面有一定的局限性，且由于算 法复杂，测量的实时性还有待进一步提高。上述两类单幅图像测量方法均通过牺牲测量精度来提高处理速度。为了提高动态 物体的测量精度，也有很多科研单位提出了在短时间内快速拍摄多幅编码图像的方法来实 现动态物体的三维测量。美国Princeton大学的Szymon Rusinkiewicz教授及其团队，在 2002年提出了一种基于4帧光条图像的结构光面扫描系统，测量过程中允许测量系统或被 测物体做缓慢的运动，该系统每秒可以投射60幅条纹图像，即每秒可采集15帧三维数据。 华盛顿大学的Li Zhang教授，在2004年提出了一种基于Time-Space的动态人脸测量方法， 该方法通过投射一组黑白编码光，根据时间立体匹配法计算出动态物体三维数据。这两种 方法与其它使用二进制编码的测量方法一样，其测量分辨率受编码精度的影响，无法实现 高分辨率的三维测量，且由于其解码算法较为复杂，很难实现实时的三维重建。从动态三维物体实时测量技术的发展来看，GPU计算越来越显现出其重要性，动态三维测量技术中许多计算都可以在GPU上完成，因此可以大大的提高计算速度。最初 GPU是为三维图形渲染专门设计的，用于计算机显卡的三维图形显示加速。由于在GPU的 设计中，将更多晶体管用于数据的并行处理，而非传统CPU所强调的数据缓存(caching) 和流程控制(flowcontrol)，因此GPU可同时处理多达数百个三维顶点及像素的几何计算 工作，具备及其强大的并行处理能力。众多学者开始研究通过将并行数值计算变通为三维 图形显示的方式，来利用GPU高性能计算能力的方法，GPU计算逐渐在物理仿真、计算金融 学、计算生物学等研究领域得到了初步应用。同时，GPU的生产厂商也在不断改良GPU的硬 件架构，使其不再仅仅局限于针对三维图形处理，而是面向通用计算。在新一代的GPU架 构中，GPU由大量被称为流处理器(Streaming Processors)的计算单元组成，它们都遵循 SIMT (single-instruction, multiple-thread，单指令、多线程)的架构模式。多处本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动态物体的三维测量系统，其特征在于：该系统包括时钟同步控制器（１０１），ＤＬＰ投影仪（１０２），第一、第二ＣＣＤ相机（１０３、１０４），图像采集卡（１０５）和计算机（１０６）；其中，ＤＬＰ投影仪（１０２）去掉了用于生产彩色图像的色轮（２０４），第一、第二ＣＣＤ相机的光心轴与ＤＬＰ投影仪的光心轴夹角均在２０至６０度之间，并且测量时保持ＤＬＰ投影仪与第一、第二ＣＣＤ相机的相对位置不变；计算机（１０６）为带有基于计算统一设备构架的图形显卡；时钟同步控制器（１０１）分别与ＤＬＰ投影仪（１０２）和第一、第二ＣＣＤ相机（１０３、１０４）相连，ＤＬＰ投影仪（１０２）与计算机（１０６）相连，第一、第二ＣＣＤ相机（１０３、１０４）均通过图像采集卡（１０５）与计算机（１０６）相连；测量的过程中，首先由时钟同步控制器（１０１）触发ＤＬＰ投影仪（１０２）向被测物体以每秒９０帧以上的帧率投影一组黑白正弦光栅图像，投影时正弦光栅图像都在栅线的垂直方向上平移栅距的１／３，等距平移二次，每帧三维数据投影出三幅正弦光栅图像；同时，时钟同步控制器（１０１）给第一、第二ＣＣＤ相机（１０３、１０４）发送信号，使两个相机的图像采集帧率与ＤＬＰ投影仪（１０２）的投影帧率保持一致；第一、第二ＣＣＤ相机（１０３、１０４）采集的图像经图像采集卡（１０５）传送给计算机（１０６），计算机（１０６）中的图形显卡ＧＰＵ对采集的数据进行处理，实时计算动态物体的三维数据。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：史玉升，李中伟，钟凯，王从军，黄奎，周钢，张炜，朱晓鹏，湛承诚，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]