Пятитактный фазовый 3-d сканер

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для визуализации, математического моделирования и распознавания трехмерных объектов. Заявленное устройство дистанционного измерения трехмерных объектов содержит проектор, который осуществляет за три такта съемки проецирование на измеряемый объект двух типов, сдвинутых по фазе относительно друг друга, гармонических синусоидальных световых сигналов (полос) и одного постоянного сигнала, регистрирующую камеру, которая смещена относительно проектора на определенную величину dY и которая осуществляет регистрацию этих сигналов и передачу их на вычислительное устройство для определения координат измеряемой поверхности. При этом вводится дополнительное смещение камеры относительно проектора на небольшую величину dX, а также вводится два дополнительных такта съемки для регистрации двух, генерируемых проектором, дополнительных типов полос, перпендикулярных двум первым. Причем дополнительная информация, получаемая за счет смещения камеры dX и за счет регистрации дополнительных полос, используется вычислительным устройством для определения 2Pi интервалов в сдвиге основных полос при построении 3-d модели измеряемого объекта. Технический результат - увеличение диапазона глубины измерений, а также повышение точности за счет уменьшения ширины полос. 4 ил.

 

Устройство относится к области измерительной техники и может быть использовано для визуализации, математического моделирования и распознавания трехмерных объектов.

Устройство реализует принцип структурированной подсветки измеряемой поверхности и принцип триангуляции для получения ее точек. Известны устройства (например сканеры Range Vision, Artec 3d), применяющие двоичное структурирование света, которые, при условии приемлемой точности, должны использовать 7-8 тактов съемки за цикл. Известны также устройства, использующие гармоническую подсветку. Наиболее близким является устройство, описанное в [1]. Оно выбрано в качестве ближайшего прототипа. Устройство содержит проектор Р и камеру С, которая смещена относительно проектора на величину dY (фиг. 1). В качестве структурированной подсветки используется гармонический световой сигнал и всего три такта съемки за цикл. При этом в каждом такте фаза светового сигнала проектора меняется на 120 градусов. В этом случае в любой точке поверхности, для сигналов на выходе камеры имеем:

Из уравнений (1) легко получить выражение для psiY.

В [2] приводится также упрощенный алгоритм:

Здесь:

В обоих случаях, для любой точки N (фиг. 1) с координатой у луча CN, по трем значениям В1, В2, В3 определяется фаза psiY сигнала камеры в этой точке (которая совпадает с фазой сигнала проектора для этой точки). Зная значение psiY для проектора, можно определить точку N0 и координату yO луча проектора PN0. Точка М пересечения лучей CN и PN0 является точкой измеряемой поверхности. Ее легко найти из треугольников РМС и NMN0.

Описанное устройство обладает существенным недостатком. Фаза psiY не должна превышать значения 2Pi. В противном случае, появляется неоднозначность решения (2) или (4). Физически это означает, что смещения световой полосы, связанные с изменением координаты Z измеряемой поверхности, не должны превышать ее ширины, (ширина полосы - это период гармонических колебаний). С другой стороны, ширину полосы проецируемого света нельзя делать большой, т.к. это приводит к резкому падению точности (из-за нелинейных искажений). Таким образом, недостатком устройства является малый допустимый диапазон перепадов уровня Z поверхности.

Сущность заявляемого устройства состоит в том, что с целью расширения допустимого диапазона перепадов уровня Z поверхности и увеличения точности, оно измеряет смещения световых полос в двух взаимно перпендикулярных направлениях (X и Y).

Новизна устройства состоит в том что в нем:

1. Вводится небольшое дополнительное смещение dX камеры относительно проектора (фиг. 2).

2. Используется 2 дополнительных такта съемки за цикл (фиг. 3).

Наличие указанных существенных признаков приводит к достижению технического результата, который выражается в расширении допустимого диапазона перепадов уровня Z измеряемой поверхности и повышении точности за счет использования узких световых полос.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения. Других технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками не обнаружено.

На фиг. 1 показана схема работы прототипа.

Фиг. 2 поясняет принцип работы предлагаемого устройства. Здесь Р - проектор, С - камера, В.У. вычислительное устройство.

На фиг. 3 показаны 5 тактов проектора.

На фиг. 4а показана 3-d модель объекта при использовании алгоритма [1] прототипа в случае перепадов, превышающих ширину полосы. (Виден разрыв поверхности).

На фиг. 4б - результат работы (3-d модель объекта) для предлагаемого устройства.

Устройство работает следующим образом. В пяти тактах съемки проектор формирует пять различных световых сигналов (фиг. 3). Первые 3 такта воспроизводят алгоритм (3) - формируются полосы, параллельные оси X (Y-полосы), сдвинутые по фазе на 90 градусов, и постоянный сигнал (b0). Дополнительно вводятся еще два сигнала - полосы, параллельные оси Y (Х-полосы), также сдвинутые на 90 градусов (такты 4,5). На выходе камеры, для каждой точки поверхности все 5 сигналов имеют вид (фиг. 3):

Из первых трех уравнений системы (3) легко определяется угол psiY, из трех последних - угол psiX.

Значения сигналов В1-В5 поступают на вычислительное устройство - ВУ (фиг. 2), которое по формулам (6), (7) определяет значения psiX и psiY.

Отклонение камеры dX от проектора значительно меньше величины dY и выбирается таким образом, чтобы смещения Х-полос вдоль оси X не превышало их ширины при любых перепадах уровня измеряемой поверхности. В этом случае значение psiX не будет превышать величины 2Pi и из (7) будет определятся однозначно. По найденному значению psiX нельзя находить точки измеряемой поверхности (мала точность из-за малости величины dX), однако, ее хватает, чтобы определить количество 2Pi - интервалов в выражении (6) для psiY. Таким образом, с помощью psiX, угол psiY определяется вычислительным устройством однозначно. Далее, используя значение psiY, ВУ находит координаты точек измеряемой поверхности методом триангуляции, описанном выше для прототипа в любом диапазоне изменения координаты Z.

Предлагаемый способ может использоваться в различных технологических процессах с целью визуализации, математического моделирования и физического воспроизведения геометрии трехмерных объектов.

Литература.

[1] Peisen S. Huang and Song Zhang. Fast three-step phase-shifting algorithm.

[2] Song Zhang. Recent progresses on real-time 3D shape measurement using digital fringe projection techniques.

[3] Patent: US 2009238449 A1, 24.09.2009.

Устройство дистанционного измерения трехмерных объектов, содержащее проектор, который осуществляет за три такта съемки проецирование на измеряемый объект двух типов, сдвинутых по фазе относительно друг друга, гармонических синусоидальных световых сигналов (полос) и одного постоянного сигнала, регистрирующую камеру, которая смещена относительно проектора на определенную величину dY и которая осуществляет регистрацию этих сигналов и передачу их на вычислительное устройство для определения координат измеряемой поверхности, отличающееся тем, что с целью увеличения диапазона глубины измерений, а также повышения точности за счет уменьшения ширины полос, вводится дополнительное смещение камеры относительно проектора на небольшую величину dX, а также вводится два дополнительных такта съемки для регистрации двух, генерируемых проектором, дополнительных типов полос, перпендикулярных двум первым, причем дополнительная информация, получаемая за счет смещения камеры dX и за счет регистрации дополнительных полос, используется вычислительным устройством для определения 2Pi интервалов в сдвиге основных полос при построении 3-d модели измеряемого объекта.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для визуализации, математического моделирования и распознавания трехмерных объектов.

Изобретение относится к устройству для контроля возможного наличия дефектов шин на линии изготовления шин. Устройство для контроля шин содержит линейную камеру, имеющую осевую линию объектива, лежащую в оптической плоскости, первый, второй и третий источники света, предназначенные для излучения соответственно первого, второго и третьего световых излучений.

Настоящее изобретение относится к средствам контрольно-измерительной техники, а именно к способам контроля геометрических параметров профиля поверхности, в частности резьбы труб, замковых муфт и подобных изделий, включающих резьбу.

Изобретение относится к установке, содержащей печь, и к устройству, а также к способу измерения формы участка стенки коксовой печи. Устройство содержит ящик (20), содержащий основную часть (38), определяющую по меньшей мере одно отверстие (44), и систему (40) закрывания, выполненную с возможностью перемещения относительно основной части (38) между открытым положением и закрытым положением; внутренний защитный экран (80), расположенный внутри ящика и определяющий по меньшей мере одно окно (86А) сканирования, причём окно сканирования является более узким, чем указанное отверстие в поперечном направлении (Т) ящика; и по меньшей мере один трёхмерный (3D) лазерный сканер (21А), расположенный в ящике, для сканирования указанного участка стенки через окно сканирования и через отверстие, когда система закрывания находится в открытом положении.

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат – повышение точности 3D реконструкции статичного объекта.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в экспериментальной гидро- и аэродинамике, теплофизике, в технологиях, связанных с необходимостью исследования скоростей, конвективных структур и фазовых переходов в газовых и конденсированных средах.

Изобретение относится к области оптоэлектроники. Способ повышения точности синтеза топологии элементов заключается в использовании лазерного генератора изображений с круговым сканированием, содержащего оптический тракт для обеспечения доставки лазерного излучения к головке записи, оптическую заготовку с нанесенным фоточувствительным материалом; фокусировке пучка лазерного излучения на поверхности оптической заготовки с нанесенным фоточувствительным материалом; применении дополнительных двух комбинированных оптических датчиков, каждый из которых содержит измерительный диск с угловым и кольцевым растрами, датчик угловых перемещений измерительного растра и два датчика линейных перемещений, а также применении двухкоординатного оптического дефлектора, который устанавливают дополнительно в оптическом тракте таким образом, чтобы направления управляемых координат двухкоординатного оптического дефлектора совпадали с направлениями радиальных и угловых перемещений сфокусированного пучка лазерного излучения.

Группа изобретений относится к области для определения качества обжимного соединения проводника. Устройство измерения обжимного соединения содержит блок обработки сигналов, дальномерное сенсорное устройство на основе использования оптического излучения и механизм перемещения, который перемещает сформированное обжимное соединение и дальномерное сенсорное устройство друг относительно друга.

Изобретение относится к автомобильной промышленности. Способ и соответствующее устройство (100) для контроля шин на производственной линии обеспечивают предварительное размещение шины (200), подлежащей контролю, упругое деформирование участка боковины шины посредством приложения сжимающего усилия к внешней контактной поверхности участка боковины, при этом сжимающее усилие имеет осевое направление и ориентацию, направленную к диаметральной плоскости, освещение внутренней и/или внешней поверхности участка боковины и детектирование изображения освещенной поверхности, генерирование контрольного сигнала, соответствующего детектируемому изображению, и анализ контрольного сигнала для детектирования возможного наличия дефектов на участке боковины.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для визуализации, математического моделирования и распознавания трехмерных объектов. Заявленное устройство дистанционного измерения трехмерных объектов содержит проектор, который осуществляет за три такта съемки проецирование на измеряемый объект двух типов, сдвинутых по фазе относительно друг друга, гармонических синусоидальных световых сигналов и одного постоянного сигнала, регистрирующую камеру, которая смещена относительно проектора на определенную величину dY и которая осуществляет регистрацию этих сигналов и передачу их на вычислительное устройство для определения координат измеряемой поверхности. При этом вводится дополнительное смещение камеры относительно проектора на небольшую величину dX, а также вводится два дополнительных такта съемки для регистрации двух, генерируемых проектором, дополнительных типов полос, перпендикулярных двум первым. Причем дополнительная информация, получаемая за счет смещения камеры dX и за счет регистрации дополнительных полос, используется вычислительным устройством для определения 2Pi интервалов в сдвиге основных полос при построении 3-d модели измеряемого объекта. Технический результат - увеличение диапазона глубины измерений, а также повышение точности за счет уменьшения ширины полос. 4 ил.

Наверх