CN104897082B - 一种基于智能移动平台的高速结构光产生与处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能移动平台的高速结构光产生与处理装置，它包括：智能移动平台、WiFi电路、高速数字信号处理器、USB工业相机、内存电路、数字微镜器件、高亮LED光源模组以及投影镜头模组。利用智能移动平台通过无线局域网给高速信号处理器发送指令控制产生结构光、触发工业相机获取图像以及控制上传图像数据，再利用智能移动平台强大的功能处理上传的图像数据，实现智能照明、获取待测物体三维信息等功能。本发明克服了现有的结构光产生与处理装置需要复杂的机械扫描结构、体积庞大的计算机辅助处理的缺点，并利用无线局域网通信，从而提高了便携性和灵活性。

Description

一种基于智能移动平台的高速结构光产生与处理装置

技术领域

本发明涉及结构光应用、局域网无线通信技术，特别是利用结构光实现智能照明以及获取物体的三维信息的一种装置，属于光学和电学通信结合的领域。

背景技术

近年来，智能移动设备的普及率呈现爆炸式增长，据统计显示，截至2014年，亚洲国家中新加坡和韩国智能手机的普及率分别高达85%和80%，而中国的智能手机的普及率也高达66%。智能移动设备因其廉价便利等特点，成为消费电子领域的绝对主角。而智能移动设备生产厂商之间的竞争加剧，使得智能移动设备的性能不断提升，许多智能移动设备的处理能力例如处理速度和图像处理能力可以媲美甚至超过了普通计算机。智能产品的开发也围绕着以智能移动设备为中心，并逐渐替代了以计算机为中心的方式。

结构光应用是这几年新兴的热点，结构光以其精准灵活的特点可以用作高精度的智能照明，特别是针对物体三维信息的获取，凭借其成像快速，精准度高的优势在工业制造、文物保护等需要逆向工程的场合有着极其广泛的应用。利用结构光获取物体表面三维信息的原理为：首先将特定的结构光图案投射到待测物体表面形成畸变的结构光图案，其次图像获取设备将这畸变的结构光图案捕获形成含有物体表面三维调制信息的二维图像数据，最后通过图像算法将其中的三维信息解调出来。中国专利201110059840.1提出了一种基于线结构光的三维测量方法及装置，利用线激光源扫描待测物体获得三维点云信息。这种测量方法及装置的不足之处就是有复杂而精准控制的扫描结构，对机械控制要求较高。为弥补线结构光扫描方式的不足，面结构光三维信息获取技术因其具有成像快速，结构紧凑，机械控制要求简单等优点成为近年来三维成像研究的重点。中国专利201310111283.2提出了一种单目结构光三维扫描仪，采用时域编码结构光技术，根据获得光栅条纹图案，并根据相位法和三角解析条纹曲率变化获得待测物体的三维点云信息。虽然这种扫描仪不需要复杂的扫描结构，但是仍然需要体积庞大的计算机配合完成结构光图案的生成以及图像数据的获取与处理，在便携性以及灵活性方面还存在不足。

数字微镜器件一直是投影技术的核心器件，单片数字微镜器件集成了数十万乃至百万枚可独立控制开关的数字像素微镜。其中每一枚数字像素微镜的尺寸仅有几微米并且精准可控，配合适当的光源模组，可以生成非常精确的结构光图案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于智能移动平台的高速结构光产生与处理装置，该装置利用智能移动平台通过无线局域网给高速信号处理器发送指令控制产生结构光、触发工业相机获取图像以及控制上传图像数据，再利用智能移动平台强大的功能处理上传的图像数据，实现智能照明、获取待测物体三维信息等功能。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于智能移动平台的高速结构光产生与处理装置，该装置包括：

智能移动平台：是整个装置的处理核心，负责发送控制结构光产生的指令、发送图像获取的指令和接收来自高速数字信号处理器回传的图像数据，并依据回传的图像数据产生待测物体的三维信息；

WiFi电路：与高速数字信号处理器相连，负责智能移动平台与高速数字信号处理器在无线局域网中的通信；

高速数字信号处理器：负责接收来自智能移动平台的指令，依据指令启动高亮LED光源模组、驱动数字微镜器件载入结构光图案数据、触发USB工业相机获取图像和控制内存电路存取图像数据并通过WiFi电路回传图像数据给智能移动平台；

USB工业相机：与高速数字信号处理器通过USB 3.0接口相连，通信峰值速率最高可达5 Gbps，负责获取待测物体表面带有三维调制信息的畸变结构光图像；

内存电路：与高速数字信号处理器相连，负责图像数据的存储与读取；

数字微镜器件：与高速数字信号处理器相连，在高速数字信号处理器的驱动下，通过控制微镜像素的开关产生结构光图案，从而反射来自高亮LED光源模组的面光形成对应的结构光发射出去；

高亮LED光源模组：与高速数字信号处理器相连，通过高速数字信号处理器的驱动，开启或者关闭高亮LED。高亮LED发出的光通过模组内部的匀光棒形成面光；

投影镜头模组：负责接收来自数字微镜器件反射生成的结构光并投射出去。

所述装置中的智能移动平台是指带有WiFi功能、有一定图像处理能力的所有智能移动设备。

所述装置中的高速数字信号处理器包括WiFi数据发送与接收控制单元、WiFi协议栈单元、结构光图案存储单元、高亮LED光源模组驱动单元、数字微镜器件驱动单元、图像获取单元以及内存控制单元。其中，WiFi协议栈单元与WiFi数据发送与接收单元、图像获取单元、内存控制单元、高亮LED光源模组驱动单元和结构光图案存储单元相连，负责解析来自WiFi数据发送与接收单元的指令、触发图像获取单元获取图像数据、发送内存控制单元数据读取指令、封包来自内存控制单元的图像数据并发送给WiFi数据发送与接收单元、发送高亮LED光源模组的开启与关闭指令以及更新结构光图案存储单元的数据。WiFi数据发送与接收单元与WiFi电路相连，负责与智能移动平台通过无线局域网进行数据通信；内存控制单元与内存电路相连，控制读取和存储内存电路的图像数据；图像获取单元与USB工业相机相连，触发USB工业相机并接收来自它的图像数据；高亮LED光源模组驱动单元与高亮LED光源模组相连，开启或者关闭高亮LED光源模组；数字微镜器件驱动单元与结构光图案存储单元和数字微镜器件相连，负责从结构光图案存储单元获取结构光图案数据并将数据载入到数字微镜器件中，从而控制微镜像素的开关，进而产生对应的结构光图案。

所述高速数字信号处理器内的数字微镜器件驱动单元可以快速从结构光图案存储单元中得到结构光图案数据并载入数字微镜器件中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）结构小巧紧凑，采用智能移动设备大大提高了便携性，克服了现有结构光产生与处理装置需要复杂的机械扫描结构、体积庞大的计算机辅助处理的缺点；

（2）利用无线局域网进行数据通信，摆脱了有线连接的劣势，极大地提高了本装置的灵活性；

（3）高速数字信号处理器内置结构光图案存储单元，可以实现结构光快速产生。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明结构框图；

图3为本发明产生的一种结构光图；

图4为本发明产生的结构光投射在长方体待测物体上形成的畸变结构光图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细描述。

参阅图1，本发明由智能移动平台1、WiFi电路2、高速数字信号处理器3、USB工业相机4、内存电路5、数字微镜器件6、高亮LED光源模组7以及投影镜头模组8组成。智能移动平台1通过无线局域网向WiFi电路2发送结构光产生指令。WiFi电路2将接收到的指令发送给高速数字信号处理器3，以开启高亮LED光源模组7并向数字微镜器件6载入结构光图案数据。数字微镜器件6依据载入的结构光图案数据打开或者关闭对应像素微镜，再通过反射来自高亮LED光源模组7产生的面光，从而形成对应的结构光。投影镜头模组8将结构光投射出去形成智能照明所需要的特殊形状的结构光。如果投影镜头模组8将结构光投向待测物体，在待测物体表面产生畸变的结构光图案，然后USB工业相机4通过捕获待测物体上带有三维调制信息的畸变结构光图像并传送至高速数字信号处理器3中，再经由WiFi电路2上传至智能移动设备1，那么智能移动设备1依据上传的图像数据，经过处理，就能获得待测物体的三维信息。

参阅图2，本发明无线局域网通信控制、结构光产生控制以及图像数据存取控制的任务在高速数字信号处理器3中完成，该处理器包括：

a）WiFi数据发送与接收控制单元31：与WiFi电路2相连，负责无线局域网通信数据的发送与接收；

b）WiFi协议栈单元32：与WiFi数据发送与接收单元31、内存控制单元37、结构光图案存储单元33、高亮LED光源模组驱动单元34和图像获取单元36相连，负责解析来自WiFi数据发送与接收单元31的指令、触发图像获取单元36获取图像数据、发送内存控制单元37数据读取指令、封包来自内存控制单元37的图像数据并发送给WiFi数据发送与接收单元31、发送高亮LED光源模组34的开启与关闭指令以及更新结构光图案存储单元33的数据；

c）结构光图案存储单元33：与数字微镜器件驱动单元35相连，负责提供结构光图案数据，同时与WiFi协议栈单元32相连，在需要更新结构光图案数据的情况下从WiFi协议栈单元32获取待更新的结构光图案数据；

d）高亮LED光源模组34：与高亮LED光源模组7相连，开启或者关闭高亮LED光源模组7；

e）数字微镜器件驱动单元35：与结构光图案存储单元33和数字微镜器件6相连，获取结构光数据并将数据载入到数字微镜器件6中，从而控制微镜像素的开关产生对应的结构光图案。

f）图像获取单元36：与USB工业相机4相连，触发相机并接收来自工业相机的图像数据；

g）内存控制单元37：与内存电路相连5，控制读取和存储内存电路的图像数据。

参阅图3，本发明产生的一种类型的结构光如图3所示，其中白条表示被照亮的部分，黑条表示未被照亮的部分。结构光图案数据被存储在结构光图案存储单元33中，当高速数字信号处理器3收到生成结构光的控制指令时，结构光图案数据可以快速载入到数字微镜器件6中形成结构光图案，开启高亮LED光源模组7并将结构光图案通过投影镜头模组8投射出去。该结构光图案可以满足医疗、建筑等领域高精度可控区域性照明的需求。

参阅图4，本发明产生的一种类型的结构光投射在长方体待测物体上形成的畸变结构光图案，这些畸变的黑白光条中包含了待测物体表面的三维调制信息，通过本发明中的USB工业相机4捕获并通过高速数字信号处理器3经由WiFi电路2上传至智能移动平台1，经过处理，就可以还原出待测物体的三维表面结构。

实施例

3D打印是近年来一个比较热门的话题，通过特定的打印机和打印材料，可以通过立体打印的方式实现工业模具的快速制造。3D打印流程中一个重要的环节就是待打印模具三维数据的获得，利用本发明就可以实现物体表面三维结构快速获取。首先用智能移动设备通过无线局域网发送结构光产生指令产生结构光图案投射到待测模具上形成畸变的结构光图案，然后智能移动设备发送图像获取指令操作USB工业相机获取这畸变的结构光图案，再经过高速数字信号处理器经由WiFi电路将图像数据上传至智能移动设备，最后通过智能移动设备的处理，获得待测模具的三维信息，形成相应的三维点云数据文件，供3D打印后续的流程使用。这样就完成了待打印模具的三维数据快速获取过程。

Claims (2)

1.一种基于智能移动平台的高速结构光产生与处理装置，其特征在于，该装置包括：

智能移动平台：发送控制结构光产生的指令、发送图像获取的指令和接收图像数据，并依据图像数据产生待测物体的三维信息；

WiFi电路：与高速数字信号处理器相连，负责智能移动平台与高速数字信号处理器在无线局域网中的通信；

高速数字信号处理器：与WiFi电路、内存电路、USB工业相机、高亮LED光源模组及数字微镜器件连接，接收来自智能移动平台的指令，依据指令启动高亮LED光源模组、驱动数字微镜器件载入结构光图案数据、触发USB工业相机获取图像和控制内存电路存取图像数据并通过WiFi电路回传图像数据给智能移动平台；

USB工业相机：与高速数字信号处理器相连，获取待测物体表面带有三维调制信息的畸变结构光图像；

内存电路：与高速数字信号处理器相连，存储与读取图像数据；

数字微镜器件：与高速数字信号处理器相连，在高速数字信号处理器的驱动下，通过控制微镜像素的开关产生结构光图案，反射来自高亮LED光源模组的面光，从而形成结构光发射出去；

高亮LED光源模组：与高速数字信号处理器相连，通过高速数字信号处理器的驱动，开启或者关闭高亮LED；高亮LED发出的光通过模组内部的匀光棒形成面光；

投影镜头模组：接收来自数字微镜器件反射生成的结构光并投射出去；其中：

所述智能移动平台为带有WiFi功能、有图像处理能力的智能移动设备；

所述高速数字信号处理器包括WiFi数据发送与接收控制单元、WiFi协议栈单元、结构光图案存储单元、高亮LED光源模组驱动单元、数字微镜器件驱动单元、图像获取单元以及内存控制单元，其中，WiFi协议栈单元与WiFi数据发送与接收控制单元、图像获取单元、内存控制单元、高亮LED光源模组驱动单元和结构光图案存储单元相连；WiFi数据发送与接收控制单元与WiFi电路相连；内存控制单元与内存电路相连；图像获取单元与USB工业相机相连；高亮LED光源模组驱动单元与高亮LED光源模组相连；数字微镜器件驱动单元与结构光图案存储单元和数字微镜器件相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能移动平台的高速结构光产生与处理装置，其特征在于所述数字微镜器件驱动单元能够快速从结构光图案存储单元中得到结构光图案数据并载入数字微镜器件中。