基于数字散斑的手持式三维结构光测量系统

基于DLP数字微镜的结构光三维扫描系统一、结构光三维扫描技术简介结构光三维扫描技术是通过光学投影系统将结构光投射到被测物体表面，利用相机或传感器捕捉被测物体表面变形后的图像，从而得到物体表面的三维信息的一种测量技术。

其原理是通过观察被照射物体的变形，来计算出物体表面的三维坐标信息。

结构光三维扫描技术具有非接触、高精度、快速测量等特点，因此在工业设计、品质检测、数字化文化遗产保护等领域都有着广泛的应用。

二、DLP数字微镜技术简介数字微镜是一种结合了数字成像和光学显微技术的高分辨率成像系统。

而DLP技术是数字微镜中常用的光学成像技术之一。

DLP技术利用数以百万计的微小可调控的镜面反射光源，通过不同的反射角度来控制光的投射，从而实现高分辨率、高亮度的图像投射。

在数字微镜中，DLP技术通过控制微镜板的反射角度，可以实现高分辨率的数字成像，同时也可以通过控制投射光线的方向和强度来实现对被测物体的照射。

基于DLP数字微镜的结构光三维扫描系统是将DLP技术与结构光三维扫描技术相结合的一种新型三维扫描系统。

该系统在传统的结构光三维扫描技术基础上，引入了DLP技术，使系统具有了更高的分辨率、更快的扫描速度和更广泛的应用范围。

主要由结构光投影系统、相机或传感器、DLP数字微镜、控制系统等部分组成。

1. 结构光投影系统结构光投影系统是基于DLP数字微镜的结构光三维扫描系统的核心部件之一。

它通过投射结构光到被测物体表面，实现对物体表面变形的观测。

传统的结构光投影系统中使用的是激光光源和具有特殊结构的投影透镜，而基于DLP数字微镜的结构光投影系统则利用DLP技术来实现对结构光的精确投射，从而提高了投射光线的亮度和分辨率。

2. 相机或传感器相机或传感器是用来捕捉被测物体表面变形后的图像，并进行图像处理和数据计算的部件。

在基于DLP数字微镜的结构光三维扫描系统中，相机或传感器的分辨率和灵敏度对于系统的测量精度至关重要。

通过结合DLP技术和高性能的相机或传感器，可以实现对物体表面变形的快速准确观测，从而获得高质量的三维测量数据。

基于DLP数字微镜的结构光三维扫描系统摘要结构光三维扫描技术是一种常用的三维扫描方法，通常利用激光投影仪和相机来实现三维重建。

但是传统的结构光三维扫描系统存在着体积大、成本高、复杂度高等问题。

本文提出了一种基于DLP数字微镜的结构光三维扫描系统，通过利用DLP数字微镜实现光源的快速控制和调整，从而实现高效、低成本、小体积的三维扫描系统。

实验结果表明，该系统具有高精度、高速度和低成本的优势，适用于工业制造、文物保护和生物医学等领域。

1.引言三维扫描技术已经广泛应用于工业制造、文物保护、生物医学和消费品设计等领域。

结构光三维扫描是三维扫描技术的一种重要方法，它通过使用一种特殊的投影方案，通常是使用激光投影仪来投射不同的图案到被扫描物体上，然后利用相机拍摄被投射图案后的物体图像，根据相机和激光投影仪之间的空间几何关系，来还原被扫描物体的三维模型。

传统的结构光三维扫描系统存在着诸多问题，例如体积大、成本高、复杂度高等。

数字微镜(DLP)是一种新型的光学设备，通过控制单个DLP芯片上的许多微型反射镜的倾斜角度，可以实现对光的精确控制。

基于DLP的数字微镜被广泛应用于投影仪、3D打印机等领域。

本文提出了一种基于DLP数字微镜的结构光三维扫描系统设计，并对该系统进行了实验验证。

2.系统架构设计基于DLP数字微镜的结构光三维扫描系统由激光投影模块、相机模块、DLP数字微镜模块和控制模块组成，其系统架构设计如图1所示。

激光投影模块主要包括激光光源和激光调制器，激光调制器采用DLP数字微镜作为光学调制元件，可以快速地控制激光的投射图案。

相机模块用于拍摄被扫描物体表面的图像，通过图像处理算法提取出被投射图案后的物体表面的深度信息。

DLP数字微镜模块负责控制激光光源的亮度和投射图案的调节。

控制模块用于实现整个系统的数据采集、图案控制、光源调节和深度信息计算等功能。

3.系统实现3.1 激光投影模块激光投影模块是基于DLP数字微镜的结构光三维扫描系统的核心部件之一。

基于数字光处理的结构光三维扫描系统的设计楼永坚黄晗骋林斌摘要：结合结构光投影三维扫描的原理，设计了数字微镜器件（DMD）作为结构光的发生装置，主控芯片为FPGA，实现了高速的DMD的控制和相机的同步采集。

搭建了一个嵌入式三维扫描光学平台，并应用四步相移法完成实验。

首先指定不同方向和周期的正弦条纹结构光，同步采集图像；然后通过软件设计完成对采集图像的预处理、相位的解调、相位的展开、相位高度映射还原得到三维的深度信息并建模；最终获得最高464.8帧/s不同方向和周期的正弦条纹结构光显示，达到194帧/s的相机触发采集，三维扫描效果图清晰，还原和重建效果理想。

关键词：三维扫描；数字微镜器件（DMD）； PWM调制；四步相移法TN 247 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005 5630.2018.03.012Abstract： According to the principle of the 3D scanning structured light projection，we design the DMD（digital micromirror device） as a generator of the structured light and use FPGA as the master chip of the device to achieve high speed DMD camera control and synchronization acquisition.We build an embedded 3D scanning optical platform and apply the four step phase shift method to complete the experiments.First，we project different directions and periods of the sinusoidal fringe structure light and acquire image synchronously.Then，we design a software to complete the pre processing of the captured images，phase demodulation，expansion of the phase，and phase height mapping to give a 3D depth information and modeling.Finally we obtain 464 . 8 frames per second in the different directions and periods of the sinusoidal fringe structure light and realize the camera trigger acquisition with 194 frames per second.The 3D scanning image is clear and the restored and reconstructed images are good. Keywords：3D scanning； digital micromirror device（DMD）； PWM modulation； four steps phase shift method引言光學三维扫描技术是以计算机为基础，融合现代光学、计算机图形学、电子学、信号处理学等多学科的专业技术，通常包含图像投影设备和图像采集设备。

专利名称：结构光三维测量方法及系统专利类型：发明专利
发明人：胡学磊,李鹏杰,郑众喜
申请号：CN201710581178.3
申请日：20170717
公开号：CN107421467A
公开日：
20171201
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及光学三维传感和测量技术领域，公开的一种结构光三维测量方法包括以下步骤：将正弦周期条纹的周期序号按照编码方式F编码为m位二进制数；控制投影单元投影m×n幅具有编码后的周期序号的正弦周期条纹结构光至被测物体，每组相移中的相同条纹周期对应同一个编码位值，编码位值为0或1，分别对应n步相移的条纹相位的单调递增或单调递减；计算每个投影成像点的m个截断相位值；获取每个投影成像点的m个编码位值，校正反折的截断相位值；计算校正后的m个截断相位值的平均值；根据编码方式F的反运算F获得正弦周期条纹的周期序号；计算得到完整相位。

本发明简化了结构光的投影流程，提高了测量精度，并且降低了计算时间。

申请人：苏州优纳科技有限公司
地址：215163 江苏省苏州市新区科技城科灵路78号2号软件园11号楼2层
国籍：CN
代理机构：北京三聚阳光知识产权代理有限公司
代理人：吴黎
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基于DLP数字微镜的结构光三维扫描系统DLP数字微镜是一种使用数字微镜技术进行结构光三维扫描的系统。

该系统能够通过投射结构光来获取对象的三维形状信息，并能够实时获得高质量的三维模型。

下面将对这个系统的基本结构和工作原理进行详细介绍。

DLP数字微镜是一种利用数字微镜技术的显示器。

它由一个光学系统、一个微显示器和一个控制电路组成。

光学系统是由一个透镜和一个数字投影器组成的。

微显示器则是一种基于光电晶体技术的微小显示器件。

而控制电路则是负责控制微显示器和数字投影器的电路。

在结构光三维扫描中，数字微镜通过投射结构光来获取对象的三维形状信息。

结构光是一种通过透镜将平行光束聚焦形成的特殊光束，它具有一定的编码特性。

当结构光照射到目标物体上时，物体表面的凹凸不平会导致光的反射方向发生变化，从而产生一定的光斑图案。

通过分析这些光斑图案，可以获得物体表面的形状信息。

在DLP数字微镜的工作过程中，首先需要将需要扫描的物体放置在扫描区域内。

然后，系统会发出一束特定的结构光，该结构光经过透镜的聚焦后会照射到物体表面。

当结构光照射到物体表面时，会产生一系列光斑图案。

这些光斑图案会通过透镜和数字投影器投射到微显示器上。

微显示器将接收到的结构光图案进行信息的解码和处理，并将处理后的图像信号发送给控制电路。

控制电路负责控制数字显示器的亮度和位置，以保证光斑图案在物体表面的投射位置准确无误。

通过对反射光斑图案进行拍摄和处理，系统可以重建出物体的三维模型。

这个过程需要通过计算机算法对图像进行分析和处理，以得到物体表面的形状信息。

最终，系统可以实时获得高质量的三维模型。

手持式结构光对物体三维测量的方法研究
杨林;许增朴;毕德学;于德敏
【期刊名称】《微计算机信息》
【年(卷),期】2009(025)031
【摘要】结构光三维测量方法广泛地应用在许多领域.在传统的测量方法中,利用固定的摄像机和激光器对物体进行测量,因此不够灵活方便.本文提出了一种无机械传动装置的手持式结构光对物体进行测量的方法.在本方法中,应用视频记录测量物体的全过程,因此对物体进行测量会更加方便.仅需要一个激光器和和一个摄像机就能够完成对物体的测量,因此测量系统的成本较低.文章通过对该方法的理论分析和实验研究,证明了利用该方法实现物体表面三维测量的可行性.
【总页数】3页(P207-208,214)
【作者】杨林;许增朴;毕德学;于德敏
【作者单位】300222,天津,天津科技大学机械工程学院;300222,天津,天津科技大学机械工程学院;300222,天津,天津科技大学机械工程学院;300222,天津,天津科技大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
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