專利名稱：一種動態(tài)物體的三維測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于精密測量領域，具體涉及一種動態(tài)物體的三維測量系統(tǒng)，可以對運動 中的物體進行實時的三維測量。
背景技術：
隨著計算機科學與技術的高速發(fā)展，動態(tài)物體三維測量技術在許多行業(yè)中有著越 來越廣泛的應用前景。在工業(yè)自動化領域，可利用該技術對生產(chǎn)線進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn) 生產(chǎn)中的質(zhì)量問題；在體育運動分析、醫(yī)療、三維游戲及電影特技等領域，可利用該技術測 量人體或動物在運動過程中的形態(tài)、表情特征，并實現(xiàn)三維數(shù)字化處理；在汽車安全性測試 試驗中，也可采用該技術對汽車碰撞測試進行完整的三維測量，由計算機輔助分析碰撞過 程中的應力應變數(shù)據(jù)，幫助設計人員改進相關設計，提高汽車的安全性。該技術的進步將對 許多行業(yè)的發(fā)展帶來幫助。在動態(tài)物體三維測量技術中，實現(xiàn)實時測量具有特別重要的意義。如在生產(chǎn)線在 線監(jiān)測過程中，三維測量速度如果不能跟上生產(chǎn)線運行的速度，測量將失去意義。在體育運 動分析、醫(yī)療等領域雖然不需要如此強的實時性要求，但由于測量數(shù)據(jù)數(shù)量龐大，如果不能 把計算時間控制在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，計算機三維測量就不能及時反饋給使用人員測量信息， 后繼工作將無法進行，因此這些領域也需要三維測量具備弱實時性。結構光測量技術由于本身具有的一些優(yōu)點，完全適合在動態(tài)過程測量的研究中 加以開發(fā)利用。上世紀八十年代，當美洲和亞洲國家致力于研究激光三維測量技術時，德 國已開始對面結構光三維測量技術進行研究。1985年，位于德國Munich-Karlsfeld的 M.A. N.光學測量技術中心率先利用相移干涉法(Phase Shift Interferometry, PSI)實 現(xiàn)了變形測量和振動分析。1986年，該中心的研究人員Dr. Breuckmann將PSI技術引入 三維形貌測量，形成了一種新的三維形貌測量技術相位測量輪廓術(PMP)，并成立了自 己的實驗室，專門從事此技術方面的研究。近20年內(nèi)相繼推出了不同型號的測量系統(tǒng)， 并在工業(yè)檢測、文物數(shù)字化、人體測量等多個領域得到了廣泛的應用。除Dr. Breuckmarm 以夕卜，Dr. Steinbichler、Dr. Wolf 及德國 TechnicalUniversity of Braunschweig 的 Reinhold Ritter教授，也是結構光測量技術領域的先驅(qū)，他們在上世紀九十年代分別成立 了 SteinbichlerGmbH、Dr. WolfGmbH和GOM GmbH,并相繼推出了多款結構光測量系統(tǒng),如 Steinbichler GmbH的C0MET5型結構光三維測量系統(tǒng)、GOMGmbH的Atos-II型結構光三維 測量系統(tǒng)等。但是上述商品化的結構光測量系統(tǒng)在測量過程中均需要拍攝多張圖像，處理 時間需要數(shù)秒鐘，不能滿足動態(tài)物體實時測量的需求。目前動態(tài)物體實時的三維測量技術在世界范圍內(nèi)還不是很成熟，但是近年來發(fā)展 迅速。從目前的發(fā)展趨勢來看，基于面結構光的動態(tài)物體三維測量技術主要可以分為兩大 類(1)使用單幅圖像進行三維重建；(2)使用多幅圖像進行三維重建。目前已有很多研究單位對使用單幅圖像進行動態(tài)物體三維測量的方法進行了研 究。2006年，德國西門子研發(fā)中心開發(fā)出了一套基于彩色編碼原理的實時三維結構光測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由單相機-單投影儀組成，測量時向被測物體投射一張彩色編碼圖像，然后通 過對拍攝的彩色圖像進行解碼和立體匹配重建出被測物體的三維形貌，該系統(tǒng)的分辨率為 640 X 400，測量速度為每秒17-25幀，但計算過程為離線處理，需耗費較長的時間。2008年， 日本大阪大學的Ryusuke Sagawa、埼玉大學的Hiroshi Kawasaki和廣島工業(yè)大學的Ryo Furukawa等人共同開發(fā)了一種使用彩色網(wǎng)格圖像實現(xiàn)緩慢變化物體測量的結構光系統(tǒng)，該 系統(tǒng)能夠成功測得緩慢變化的人臉表情，測量誤差為0. 52mm。南京理工大學的賀安之教授 在2007年提出了一套基于彩色相位移原理的動態(tài)三維形貌測量系統(tǒng)，并成功實現(xiàn)動態(tài)的 物體的三維重構。浙江工業(yè)大學的陳勝勇教授在2008年也開發(fā)了一種基于彩色條紋編碼 原理的面結構光測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)在普通的硬件條件下實現(xiàn)了對慢速物體的形貌測量。上 述幾種單幅測量技術均使用彩色編碼圖案，測量精度一般會受被測物體表面顏色的影響， 并且上述幾種方法的處理算法均較為復雜，目前還無法實現(xiàn)實時處理。另外一種使用單幅圖像進行三維測量的方法是基于Takeda和Moutoh于1983年 提出的傅立葉變換輪廓術(Fourier Transform Profilometry，F(xiàn)TP)。國內(nèi)四川大學光電 技術研究所的蘇顯渝教授及其課題組，將FTP方法運用到動態(tài)物體三維面形測量中，并成 功的測量了處于呼吸過程中、變化速度較慢的人體胸腔起伏變化的情況；在流體力學測量 領域，完整測量和再現(xiàn)了液體漩渦的生成和加深的過程。而且，為材料變形、爆破過程、碰撞 變形等領域的三維測量和研究提供了一種新的方法。該課題組在高速動態(tài)測量領域處于領 先水平，但是由于FTP的固有特性，該方法在測量復雜物體方面有一定的局限性，且由于算 法復雜，測量的實時性還有待進一步提高。上述兩類單幅圖像測量方法均通過犧牲測量精度來提高處理速度。為了提高動態(tài) 物體的測量精度，也有很多科研單位提出了在短時間內(nèi)快速拍攝多幅編碼圖像的方法來實 現(xiàn)動態(tài)物體的三維測量。美國Princeton大學的Szymon Rusinkiewicz教授及其團隊，在 2002年提出了一種基于4幀光條圖像的結構光面掃描系統(tǒng)，測量過程中允許測量系統(tǒng)或被 測物體做緩慢的運動，該系統(tǒng)每秒可以投射60幅條紋圖像，即每秒可采集15幀三維數(shù)據(jù)。 華盛頓大學的Li Zhang教授，在2004年提出了一種基于Time-Space的動態(tài)人臉測量方法， 該方法通過投射一組黑白編碼光，根據(jù)時間立體匹配法計算出動態(tài)物體三維數(shù)據(jù)。這兩種 方法與其它使用二進制編碼的測量方法一樣，其測量分辨率受編碼精度的影響，無法實現(xiàn) 高分辨率的三維測量，且由于其解碼算法較為復雜，很難實現(xiàn)實時的三維重建。從動態(tài)三維物體實時測量技術的發(fā)展來看，GPU計算越來越顯現(xiàn)出其重要性，動態(tài)三維測量技術中許多計算都可以在GPU上完成，因此可以大大的提高計算速度。最初 GPU是為三維圖形渲染專門設計的，用于計算機顯卡的三維圖形顯示加速。由于在GPU的 設計中，將更多晶體管用于數(shù)據(jù)的并行處理，而非傳統(tǒng)CPU所強調(diào)的數(shù)據(jù)緩存(caching) 和流程控制(flowcontrol)，因此GPU可同時處理多達數(shù)百個三維頂點及像素的幾何計算 工作，具備及其強大的并行處理能力。眾多學者開始研究通過將并行數(shù)值計算變通為三維 圖形顯示的方式，來利用GPU高性能計算能力的方法，GPU計算逐漸在物理仿真、計算金融 學、計算生物學等研究領域得到了初步應用。同時，GPU的生產(chǎn)廠商也在不斷改良GPU的硬 件架構，使其不再僅僅局限于針對三維圖形處理，而是面向通用計算。在新一代的GPU架 構中，GPU由大量被稱為流處理器(Streaming Processors)的計算單元組成，它們都遵循 SIMT (single-instruction, multiple-thread，單指令、多線程)的架構模式。多處理器會將各線程映射到一個標量處理器核心，各標量線程使用自己的指令地址和寄存器狀態(tài)獨立 執(zhí)行。這時GPU才開始真正具備處理復雜算法的能力。2007年，瑞士聯(lián)邦理工學院的Thibaut Weise教授及其課題組，已將GPU用于實時 動態(tài)測量，成功開發(fā)出一套實時動態(tài)三維測量系統(tǒng)，且速度達到每秒15幀。美國Song Zhang的也將GPU由于實時動態(tài)三維測量技術中，并實現(xiàn)了人臉表情變 化的測量，但其算法還無法很好的利用GPU并行計算的功能，因此目前只能應用于測量運 動速度較慢的物體。綜上所述目前，結構光測量技術雖然能對物體三維表面形狀進行高精度測量，但 測量過程中均需要拍攝多張圖像，處理時間過長，還不能滿足實時動態(tài)物體測量的需求，大 多數(shù)情況下還只能進行離線的數(shù)據(jù)處理。因此現(xiàn)有的結構光測量技術還無法實現(xiàn)高分辨率 的實時動態(tài)測量。同時，隨著GPU的發(fā)展，GPU強大的并行計算能力也逐漸應用于多個領域， 并能很好的應用于實時、高分辨率的動態(tài)物體三維測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種動態(tài)物體三維測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)討B(tài)物體進行 三維實時測量。本發(fā)明提供的動態(tài)物體的三維測量系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括時鐘同步控制 器，DLP投影儀，第一、第二 CCD相機，圖像采集卡和計算機；其中，DLP投影儀去掉了用于生 產(chǎn)彩色圖像的色輪，第一、第二 CXD相機的光心軸與DLP投影儀的光心軸夾角均在20至60 度之間，并且測量時保持DLP投影儀與第一、第二 CCD相機的相對位置不變；計算機為帶有 基于計算統(tǒng)一設備構架的圖形顯卡；時鐘同步控制器分別與DLP投影儀和第一、第二 CXD相機相連，DLP投影儀與計算 機相連，第一、第二 CCD相機均通過圖像采集卡與計算機相連；測量的過程中，首先由時鐘同步控制器觸發(fā)DLP投影儀向被測物體以每秒90幀 以上的幀率投影一組黑白正弦光柵圖像，投影時正弦光柵圖像都在柵線的垂直方向上平移 柵距的1/3，等距平移二次，每幀三維數(shù)據(jù)投影出三幅正弦光柵圖像；同時，時鐘同步控制 器給第一、第二 CCD相機發(fā)送信號，使兩個相機的圖像采集幀率與DLP投影儀的投影幀率保 持一致；第一、第二 C⑶相機采集的圖像經(jīng)圖像采集卡傳送給計算機，計算機中的圖形顯卡 GPU對采集的數(shù)據(jù)進行處理，實時計算動態(tài)物體的三維數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中由時鐘控制器觸發(fā)DLP (Digital Light processing，數(shù)字光學處理器) 投影儀向被測物體以每秒90幀以上的幀率投影出一組黑白正弦光柵圖像，同時，時鐘控制 器控制兩個CCD相機以與投影儀相同的幀率進行同步拍攝，然后由圖像采集卡將拍攝的圖 像數(shù)據(jù)傳送給計算機，計算機快速的對圖像進行處理并實時的計算三維數(shù)據(jù)，由于每一幀 三維數(shù)據(jù)需要3幅圖像進行計算，因此動態(tài)三維數(shù)據(jù)的幀率可達每秒30幀以上。此過程中 部分的數(shù)據(jù)處理由計算機顯卡的GPU輔助完成。該系統(tǒng)的最顯著地特征測量速度快，能實 時的計算并顯示動態(tài)物體的三維信息。


圖1為動態(tài)測量系統(tǒng)的結構圖2為DLP投影儀的結構3為同步信號示意圖；圖4為數(shù)據(jù)處理流程圖；圖5為極線約束的原理圖；圖6為極線約束的匹配算法原理圖；圖7為雙目立體視覺圖；圖8為系統(tǒng)計算構架圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實例對本發(fā)明做進一步詳細的說明。如圖1，本發(fā)明系統(tǒng)包括時鐘同步控制器101，DLP投影儀102，第一、第二 C⑶相機 103、104，圖像采集卡105和計算機106。其中第一、第二 C⑶相機的光心軸與DLP投影儀的 光心軸夾角均在20至60度之間，并且測量時嚴格保持DLP投影儀與第一、第二 CCD相機的 相對位置不變。時鐘同步控制器101分別與DLP投影儀102和第一、第二 CXD相機103、104相連， DLP投影儀102與計算機106相連，第一、第二 CXD相機103、104均通過圖像采集卡105與 計算機106相連。測量的過程中，首先由系統(tǒng)中的時鐘同步控制器101觸發(fā)DLP投影儀102向被測 物體以每秒90幀以上的幀率投影一組黑白正弦光柵圖像，投影時正弦光柵圖像都在柵線 的垂直方向上平移柵距的1/3，等距平移2次，故每幀三維數(shù)據(jù)需投影出3幅正弦光柵圖像。 同時，時鐘同步控制器101給第一、第二 C⑶相機103、104發(fā)送信號，使兩個相機的圖像采 集幀率與DLP投影儀102的投影幀率保持一致。第一、第二 CXD相機103、104采集的圖像 經(jīng)圖像采集卡105傳送給計算機106。計算機106機對采集的數(shù)據(jù)進行處理，實時計算動態(tài) 物體的三維數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中要求DLP投影儀102的投影速度為至少每秒90幀以上，才能以每秒24幀 的速度流暢的獲取動態(tài)三維數(shù)據(jù)。然而目前市面上的DLP投影儀投影的速度普遍較低。因 此本系統(tǒng)中的DLP投影儀102在商業(yè)投影儀的基礎上進行了改裝。如圖2所示，普通的商 業(yè)DLP投影儀主要包括光源201，兩個透鏡202和203，DMD (Digital Micromirror Device) 芯片205，色輪204和鏡頭206。為獲得更高的投影速度，本系統(tǒng)中DLP投影儀102去掉了 用于生產(chǎn)彩色圖像的色輪204。由于DLP投影儀102投出的均為黑白的正弦光柵圖像，因此 去掉色輪204對本系統(tǒng)沒有影響，相反還可以利用DLP投影儀102中的彩色通道來生成黑 白正弦光柵圖像來提高投影速度。然而，DLP投影儀102去掉色輪后，色輪204后的發(fā)光二 極管無法產(chǎn)生觸發(fā)信號來觸發(fā)DMD芯片205生成圖片。因此，本系統(tǒng)中的時鐘同步控制器 101會給DLP投影儀102發(fā)送觸發(fā)信號，使DMD芯片205生成圖像。本系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)物體實時三維測量的關鍵技術之一是令高速投影的DLP投影儀102與第一、第二 CXD相機103和104之間的同步工作。時鐘同步控制器101通過發(fā)送觸 發(fā)信號來保持整個系統(tǒng)的同步工作。以紅(R)、綠(G)、藍(B)和白(W)四個通道的DLP投 影儀為例，如圖3所示，Ip為DLP投影儀投影通道的時序曲線，Id為同步時鐘控制器101發(fā) 送給DMD芯片205的觸發(fā)信號，1。為同步時鐘控制器101發(fā)送給CXD相機103和104的信號，用來控制兩個相機拍攝圖像。圖中同步時鐘控制器101向DMD芯片205發(fā)送觸發(fā)信號，DMD芯片205感受到觸發(fā)信號的下降沿時，便依次按紅(R)、綠(G)、藍(B)和白(W)四個通 道生成黑白的正弦光柵圖像。同時C⑶相機103和104按同步時鐘控制器101發(fā)來的信號 依次采集四個通道所生成的圖像，以達到同步工作的目的。將DLP投影儀中的色輪去除后， 系統(tǒng)的投影速度為原投影速度的四倍。目前商業(yè)投影儀所采用的色輪技術各不相同，但均可按上述方式進行改裝，其工 作原理相同，均可以系統(tǒng)大幅度提高投影速度。數(shù)據(jù)采集完畢后便開始計算三維數(shù)據(jù)，本發(fā)明系統(tǒng)所采用計算機106為帶有基 于通用計算設備構架(Compute Unified Device Architecture, CUDA)的圖形顯示芯片 (GPU)，該芯片具有強大的并行計算功能，可加三維數(shù)據(jù)的計算過程。如圖8所示，801為 CXD相機103和104所拍攝的任意數(shù)字圖像，802中所有像素點劃分成若干像素塊。803為 計算機106的中央處理器CPU (Central Processing Unit), 804為計算機106的圖形顯卡 GPU(Graphic Processing Unit)，805為GPU的流處理器。首先根據(jù)GPU804的線程塊數(shù)目 將已展開的所有像素點分為若干像素塊802，以保證讓GPU804最大化的并行運算，同時使 用CPU803對每一塊進行標識，第一批像素塊處理完畢后，CPU803會立刻將新的像素點信息 傳入GPU804中，依次處理，最終獲取完整的三維模型信息，并顯示出來。其它的計算過程如 圖像的分塊，數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷伎梢栽貱PU803上完成。這樣，通過GPU804并行運算模型的加速， 使得系統(tǒng)能在極短時間內(nèi)完成大量數(shù)據(jù)的處理，使高分辨率的實時測量能夠?qū)崿F(xiàn)。以下說明每個流處理器805對像素塊中像素的計算過程，如圖4所示，其詳細過程 為(1)計算機首先對變形黑白正弦光柵進行三步相移解相。DLP投影儀102連續(xù)快速的投射出的黑白正弦光柵，當黑白正弦光柵投影到被測 物體表面時，在物體表面上形成變形光柵，假設投影光強是標準正弦分布，則變形光柵圖像 的光強分布函數(shù)為
<formula>formula see original document page 7</formula>( 1)其中為Ι(χ，y)為相機拍攝圖像上像素(X，y)的光強，a(x, y)和b(x，y)為與背 景相關的光波振幅，k稱為波系數(shù)，樹為像素(x，y)的相位值。三步相移解相法將光柵 在柵線的垂直方向上平移柵距的1/3，則式(1)的光強表達式中相位將移動2 π/3，對于相 同頻率的正弦光柵等距離平移2次，獲得3幅圖像。進行三步相移后，像素(x，y)在各步的 光強函數(shù)Ip 12、I3分別為
<formula>formula see original document page 7</formula>(3)
<formula>formula see original document page 7</formula>(4)
<formula>formula see original document page 7</formula>(5)由式(3)至(5)可得<formula>formula see original document page 8</formula>(6)I1, Ι2、I3分別為相機拍攝圖像上像素(x，y)的光柵未平移時的光強、光柵平移柵 距的1/3時的光強和光柵平移柵距的2/3時的光強。這樣就可以計算出圖像中每個像素的相對相位值識.(又稱相位主值)，在一個相位 周期內(nèi)它是單調(diào)遞增的，但是在整個測量空間中該值不唯一，因此無法直接通過相位主值 來尋找相機圖像上的匹配點，這樣便不能進行立體重構。(2)利用基于極限約束的立體匹配算法獲取二個C⑶相機所拍攝的圖像的匹配
<formula>formula see original document page 8</formula>此處采用一種基于極線約束的立體匹配算法。極線約束原理如圖5所示，設被測 點P在CXD相機103所拍攝的圖像301上的像點為P1，在CXD相機104所拍攝的圖像302 上的像點為P2,并且O1和O2分別與CCD相機103和104的光心點，直線O1O2與圖像301所 在的平面和圖像302所在的平面的交點ei和e2為極點，平面PO1O2與圖像301和圖像302 的交線為極線I1和I2，則易知極線I1 一定通過極點ei，極線I2 —定通過極點e2，像點P1 — 定在極線I1上，像點P2在極線I2上，也就是說可以通過圖像301上的點P1坐標在圖像302 上求出與P1對應的極線方程。這便是極線約束原理。該系統(tǒng)中立體匹配算法如圖6所示，其步驟為(1)計算時取圖像301中的某一點P1 ；(2)根據(jù)極線約束原理，根據(jù)P1的坐標值便可在DLP投影儀102的投影圖像303 上求出一條極線13，這里把投影儀303當做相機看待，投影儀303投影出的圖像也可以看做 是投影儀303所拍攝的圖像；(3)在DLP投影的圖像303中找到至少兩條與P1點具有相同相位主值的直線I31 和I32'設極線I3與直線I31和I32交于點P31和P32 ；(4)在圖像302上根據(jù)極限約束求出與P1J31和P32對應的極線12、121和I22的方 程；(5)極線12、I21和I22中有兩條線在圖像302上相交于一點P2,則P2為P1的匹配 點，同時P2也是P點在圖像302上的像點；(6)通過匹配點P1. P2利用雙目立體視覺原理進行點云重構，獲得物體的三維數(shù) 據(jù)。匹配完成后便可使用雙目立體視覺原理進行點云重構，計算出被測物體表面的三 維點坐標。如圖7所示，空間點P在世界坐標系OwXwYwZw下的坐標值為(Xw，Yw, Zw)，圖像301上 P點的像點P1的圖像坐標為(U1, V1)，通過小孔成像模型，可以列出P點從圖像坐標到世界 坐標的轉(zhuǎn)換關系方程(8)，其中Ic1為P點在相機103坐標系下的Z軸坐標，alx = ^D Sxl且 aly = ^D Sy^f1為相機103的焦距，Sxl和Syl為相機103所拍攝圖像平面單位距離上的像 素數(shù)(pixels/mm)，(u10,v10)為圖像中心點的坐標,R1和T1為從世界坐標系到相機103坐標 系間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。圖像302上像點P2的圖像坐標為(u2，v2)。同樣也可以列出 方程(9)，其中k2為P點在相機104坐標系下的Z軸坐標，a2x = f2 □ Sx2且a2y = f2 □ Sy2， f2為相機104的焦距，S2x和S2y為相機104所拍攝圖像平面單位距離上的像素數(shù)(pixels/mm)，(u20,v20)為圖像中心點的坐標，R2和T2為從世界坐標系到相機104坐標系間的旋轉(zhuǎn)矩 陣和平移矩陣。根據(jù)方程⑶和(9)計算出被測物的三維坐標氏義4)，其中1^和1^為 比例因子在方程的求解過程中求出。<formula>formula see original document page 9</formula>
本系統(tǒng)利用GPU+CPU混合架構加速實時動態(tài)三維測量的計算過程。以上計算過程 中的三步相移解相、基于極線約束的匹配、立體重構和數(shù)據(jù)顯示都是以像素為單位進行計 算，且在算法上像素之間獨立不相關。因此，這四步計算均可利用GPU的大規(guī)模、微粒度的 并行計算模型進行優(yōu)化加速，使得多個像素的計算同時進行。以上DLP投影儀102投影速度和CXD相機103和104采集速度都是每秒90幀，計 算每一幀三維形貌數(shù)據(jù)需要三副圖片，在基于GPU+CPU混合構架的基礎上每幀三維數(shù)據(jù)的 計算和顯示可在30ms時間內(nèi)完成，因此本發(fā)明可以實現(xiàn)動態(tài)物體的實時三維測量，且測量 幀率可達30幀/秒。以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，但本發(fā)明不應該局限于該實施例和附圖所 公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保 護的范圍。
權利要求
一種動態(tài)物體的三維測量系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括時鐘同步控制器(101)，DLP投影儀(102)，第一、第二CCD相機(103、104)，圖像采集卡(105)和計算機(106)；其中，DLP投影儀(102)去掉了用于生產(chǎn)彩色圖像的色輪(204)，第一、第二CCD相機的光心軸與DLP投影儀的光心軸夾角均在20至60度之間，并且測量時保持DLP投影儀與第一、第二CCD相機的相對位置不變；計算機(106)為帶有基于計算統(tǒng)一設備構架的圖形顯卡；時鐘同步控制器(101)分別與DLP投影儀(102)和第一、第二CCD相機(103、104)相連，DLP投影儀(102)與計算機(106)相連，第一、第二CCD相機(103、104)均通過圖像采集卡(105)與計算機(106)相連；測量的過程中，首先由時鐘同步控制器(101)觸發(fā)DLP投影儀(102)向被測物體以每秒90幀以上的幀率投影一組黑白正弦光柵圖像，投影時正弦光柵圖像都在柵線的垂直方向上平移柵距的1/3，等距平移二次，每幀三維數(shù)據(jù)投影出三幅正弦光柵圖像；同時，時鐘同步控制器(101)給第一、第二CCD相機(103、104)發(fā)送信號，使兩個相機的圖像采集幀率與DLP投影儀(102)的投影幀率保持一致；第一、第二CCD相機(103、104)采集的圖像經(jīng)圖像采集卡(105)傳送給計算機(106)，計算機(106)中的圖形顯卡GPU對采集的數(shù)據(jù)進行處理，實時計算動態(tài)物體的三維數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的動態(tài)物體的三維測量系統(tǒng)，其特征在于計算機106按照下 述過程進行數(shù)據(jù)處理第1步計算機首先對變形黑白正弦光柵進行三步相移解相； 第2步按照下述過程獲取第一、第二 CXD相機所拍攝的圖像的匹配點 (2. 1)計算時取所第一 CXD相機拍攝的圖像301中的某一點P1 ； (2. 2)根據(jù)極線約束原理，根據(jù)P1的坐標值在DLP投影儀102的投影圖像303上求出 一條極線I3 ；(2. 3)在DLP投影的投影圖像303中找到至少兩條與P1點具有相同相位主值的直線I31 和I32'設極線I3與直線I31和I32交于點P31和P32 ；(2. 4)在第二 CXD相機拍攝的圖像302上根據(jù)極限約束求出與Pp P31和P32對應的極 線12、121和I22的方程；(2. 5)極線I2U21和I22中有兩條線在圖像302上相交于一點P2，則P2為P1的匹配點， 同時P2也是P點在圖像302上的像點；(2. 6)通過匹配點PpP2進行點云重構，獲得物體的三維數(shù)據(jù)； 第3步匹配完成后使用雙目立體視覺原理進行點云重構，計算出被測物體表面的三維 點坐標。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種動態(tài)物體的三維測量系統(tǒng)，包括時鐘同步控制器，DLP投影儀，二個CCD相機，圖像采集卡和計算機；其中，DLP投影儀去掉了用于生產(chǎn)彩色圖像的色輪，CCD相機的光心軸與DLP投影儀的光心軸夾角均在20至60度之間，并且測量時保持DLP投影儀與CCD相機的相對位置不變；計算機為帶有基于計算統(tǒng)一設備構架的圖形顯卡；時鐘同步控制器分別與DLP投影儀和CCD相機相連，DLP投影儀與計算機相連，CCD相機均通過圖像采集卡與計算機相連。該系統(tǒng)的最顯著地特征是測量速度快，能實時的計算并顯示動態(tài)物體的三維信息。
文檔編號G01B11/00GK101825445SQ20101016687
公開日2010年9月8日 申請日期2010年5月10日 優(yōu)先權日2010年5月10日
發(fā)明者史玉升, 周鋼, 張煒, 朱曉鵬, 李中偉, 湛承誠, 王從軍, 鐘凱, 黃奎 申請人:華中科技大學