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.