CN110617780B - 激光干涉装置及应用该激光干涉装置的三维重建成像*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光干涉装置及应用该激光干涉装置的三维重建成像***，该激光干涉装置包括激光器、反射镜以及鱼眼采集器，其中，所述反射镜包括第一圆锥反射镜和第二圆锥反射镜，所述第一圆锥反射镜的底部嵌入所述第二圆锥反射镜的顶部，并且所述第一圆锥反射镜的锥角小于所述第二圆锥反射镜的锥角；所述激光器射出的锥形光线依次经过所述第一圆锥反射镜和所述第二圆锥反射镜形成条纹。通过锥角不同的第一圆锥反射镜和第二圆锥反射镜，使得经过反射镜上的光束发生干涉，从而在待测物上产生稠密的条纹，再通过鱼眼采集器实现大视场数据采集，从而提高成像的精度。该结构设计巧妙、结构简单、价格低。

Description

激光干涉装置及应用该激光干涉装置的三维重建成像***
技术领域
本发明涉及成像技术领域，尤其涉及一种激光干涉装置及应用该激光干涉装置的三维重建成像***。
背景技术
在室内机器人导航、自动驾驶、无人机、室内定位、人机互动等热门领域中，如何实现实时获取周围环境360度稠密三维点云数据一直是大家研究的热点和难题。在现有技术中，一般通过多线激光雷达进行扫描和采集，但是该设备有以下缺点：1、价格高；2、需要360度旋转扫描，导致扫描效率低；3、扫描的线数有限，导致无法获得稠密的三维点云数据。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种激光干涉装置及应用该激光干涉装置的三维重建成像***，旨在解决现有技术中多线激光雷达价格高、扫描效率低以及无法获得稠密的三维点云数据的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种激光干涉装置，用于采集待测物上的条纹，包括激光器、反射镜以及鱼眼采集器，其中，所述反射镜包括第一圆锥反射镜和第二圆锥反射镜，所述第一圆锥反射镜的底部嵌入所述第二圆锥反射镜的顶部，并且所述第一圆锥反射镜的锥角小于所述第二圆锥反射镜的锥角；所述激光器射出的锥形光线依次经过所述第一圆锥反射镜和所述第二圆锥反射镜形成条纹，所述条纹被反射到待测物上，所述鱼眼采集器用于采集待测物上的所述条纹。
其中，所述鱼眼采集器为鱼眼镜头，所述鱼眼镜头面向待测物，所述鱼眼镜头和待测物呈预设距离设置。
其中，所述鱼眼采集器包括第一鱼眼镜头和第二鱼眼镜头，所述第一鱼眼镜头和所述第二鱼眼镜头分别用于采集待测物上的所述条纹。
其中，所述第一鱼眼镜头面向所述第二鱼眼镜头设置；或者，所述第一鱼眼镜头和所述第二鱼眼镜头同向设置，并且面向待测物。
其中，所述鱼眼采集器包括鱼眼镜头和平面反射镜，所述鱼眼镜头位于所述反射镜和所述平面反射镜之间，所述鱼眼镜头面向所述平面反射镜设置，所述鱼眼镜头的侧面采集待测物上的所述条纹，所述鱼眼镜头的正面通过所述平面反射镜采集待测物上的所述条纹。
其中，所述第一圆锥反射镜和所述第二圆锥反射镜呈一体或者分体结构。
其中，所述激光器和反射镜的中心位于同一直线上。
一种三维重建成像***，包括处理装置以及上述激光干涉装置，所述处理装置和所述鱼眼采集器信号连接，所述鱼眼采集器将采集的所述条纹发送给所述处理装置，所述处理装置用于根据所述条纹生成待测物的三维轮廓图像。
上述激光干涉装置及应用该激光干涉装置的三维重建成像***，通过锥角不同的第一圆锥反射镜和第二圆锥反射镜，使得经过反射镜上的光束发生干涉，从而在待测物上产生稠密的条纹，再通过鱼眼采集器实现大视场数据采集，从而提高成像的精度。该结构设计巧妙、结构简单、价格低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明的一个实施例的激光干涉装置的示意性立体图。
图2是根据本发明的一个实施例中PMP***的示意图。
图3是根据本发明的一个实施例中PMP***的原理图。
图4是根据本发明的一个实施例中条纹形变的示意图。
图5是根据本发明的一个实施例中PMP***的光路图。
图6是相移图；
图6(a)是根据本发明的一个实施例中条纹沿x轴方向移动0个像素的相移图；
图6(b)是根据本发明的一个实施例中条纹沿x轴方向移动2个像素的相移图；
图6(c)是根据本发明的一个实施例中条纹沿x轴方向移动4个像素的相移图。
图7是相位图；
图7(a)是根据本发明的一个实施例中变形条纹的截断相位图；
图7(b)是根据本发明的一个实施例中变形条纹的连续相位图。
1、激光干涉装置；1、激光器；2、反射镜；21、第一圆锥反射镜；22、第二圆锥反射镜；3、鱼眼采集器；31、鱼眼镜头；32、平面反射镜；4、待测物。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是根据本发明的一个实施例的激光干涉装置的示意性立体图。
从图中可以看出，该激光干涉装置10可以具有激光器1、反射镜2以及鱼眼采集器3，其中，反射镜2包括第一圆锥反射镜21和第二圆锥反射镜22，第一圆锥反射镜21的底部嵌入第二圆锥反射镜22的顶部，并且第一圆锥反射镜21的锥角小于第二圆锥反射镜22的锥角；激光器1射出的锥形光线依次经过第一圆锥反射镜21和第二圆锥反射镜22形成条纹，条纹被反射到待测物4上，鱼眼采集器3用于采集待测物4上的条纹。
在本实例中，通过锥角不同的第一圆锥反射镜21和第二圆锥反射镜22，使得经过反射镜2上的光束发生干涉，从而在待测物4上产生稠密的条纹，再通过鱼眼采集器3实现大视场数据采集，从而提高成像的精度。该结构设计巧妙、结构简单、价格低。
在本实施例中，鱼眼采集器3包括鱼眼镜头31和平面反射镜32，鱼眼镜头31位于反射镜2和平面反射镜32之间，鱼眼镜头31面向平面反射镜32设置，鱼眼镜头31的侧面采集待测物4上的条纹，鱼眼镜头31的正面通过平面反射镜32采集待测物4上的条纹。如图1中所示，鱼眼镜头31的侧面位于待测物4的斜上方，通过鱼眼镜头31的侧面能够采集待测物4上的部分条纹。鱼眼镜头31的正面通过平面反射镜32能够采集待测物4上剩余部分的条纹，从而使鱼眼镜头31实现大视场数据采集。并且鱼眼镜头31在采集过程中，侧面和正面采集的条纹互不干扰，从而提高了成像的精度。
在可选的实施例中，鱼眼采集器为鱼眼镜头，鱼眼镜头面向待测物，从而采集待测物上的条纹。鱼眼镜头和待测物呈预设距离设置，从而根据鱼眼镜头和待测物的距离，建立空间相位查找表。
在其他实施例中，鱼眼采集器包括第一鱼眼镜头和第二鱼眼镜头，第一鱼眼镜头和第二鱼眼镜头分别用于采集待测物上的条纹。通过第一鱼眼镜头和第二鱼眼镜头的相互配合，从而实现大视场数据采集。
可选的，第一鱼眼镜头面向第二鱼眼镜头设置。通过第一鱼眼镜头和第二鱼眼镜头能够采集待测物上不同位置的条纹，从而获得稠密的三维点云数据，进而提高成像的精度。
可选的，第一鱼眼镜头和第二鱼眼镜头同向设置，并且面向待测物。通过第一鱼眼镜头和第二鱼眼镜头能够采集待测物上不同位置的条纹，从而获得稠密的三维点云数据，进而提高成像的精度。
在本实施例中，第一圆锥反射镜21和第二圆锥反射镜22呈一体结构，可以了解，在可选的实施例中，第一圆锥反射镜21和第二圆锥反射镜22也可以为分体结构。
在本实施例中，激光器1和反射镜2的中心位于同一直线上，该结构设计有利于条纹相移和空间相位标定。可以了解，在可选的实施例中，激光器1和反射镜2的中心并不一定要在同一直线上，只需在三维轮廓重建前，建立空间相位查找表即可。
在本实施例中，鱼眼镜头的视角为220度。可以了解，在可选的实施例中，鱼眼镜头的视角并不局限于220度，具体可以根据实际的需求而定。
可以了解，采用单目镜头的激光干涉装置通过位相测量轮廓术进行三维重建，采用双目镜头的激光干涉装置通过双目镜头之间的位置关系进行三维重建。
工作原理：
激光器发射激光光束，光束在向前飞行的过程中，慢慢从线状光束变成锥状光束，由于第一圆锥反射镜和第二圆锥反射镜的锥角不同，使得经过第一圆锥反射镜和第二圆锥反射镜的光束发生不同角度的反射，反射的光束相互之间产生干涉，从而在待测物上形成条纹。通过前后移动激光器，使得条纹产生相移，通过相移图获得截断相位分布。
在本实施例中，三维重建成像***可以具有处理装置以及前述任一实施例中的激光干涉装置，处理装置和鱼眼采集器信号连接，鱼眼采集器将采集的条纹发送给处理装置，处理装置用于根据条纹生成待测物的三维轮廓图像。
在本实施例中，处理装置和鱼眼采集器通过无线信号连接。可以了解，在可选的实施例中，处理装置和鱼眼采集器也可以通过有线连接。
可以了解，采用双目镜头的三维重建成像***，在重建的过程中，只需确定双目镜头之间的关系即可，因此，对整个***的组装要求并不高，从而降低了组装的难度，进而保证了成像的精度。在本实施例中，处理装置根据位相测量轮廓术(PMP)生成待测物的三维轮廓图像，以下具体介绍位相测量轮廓术的原理和三维轮廓图像的重建过程。
位相测量轮廓术的原理：
位相测量轮廓术(PMP)是一种非接触三维传感方法，该方法采用正弦条纹投影和数字相移技术，以低廉的光学、电子和数字硬件设备为基础，以较高的速度和精度获取和处理大量的三维数据。当一个正弦条纹图形投影到三维漫反射物体表面时，从成像***可以获得受物体表面面形调制的变形条纹，利用离散相移技术获取N幅(N≥3)变形光场图像，再根据N步相移算法计算出相位分布，由于从相移计算的相位
Figure GDA0003114514950000061
被截断在反三角函数的主值范围[-π，π]内，因而是不连续的。为了得到物体的三维分布，必须将截断相位恢复成连续相位分布，然后，根据***结构从展开后的相位对物体的轮廓进行重构。
为了进一步了解位相测量轮廓术，以下通过举例的方式介绍位相测量轮廓术。
如图2中所示，PMP***由投影、成像、数据获取与处理三大部分组成。
测量过程：激光器发出的白光经正弦光栅投影到参考平面上和待测物表面上，分别得到正弦光栅条纹图的光强信息和受物体表面面形调制后的变形条纹光强信息，采用高精度的CCD摄像机采集变形前后的条纹图像，并将接收到的光强信号转换为电信号，送至图像卡，进行电信号放大，再经A/D转换后量化为数字图像，存储在计算机的***内存中，由计算机对其进行运算，并结合相位技术，最终得到所要求的相位信息，经数据处理后，可从计算机的显示屏上观察到待测物的表面三维轮廓图像。
在PMP的测量过程中，需采集参考平面和待测物图像。在一般情况下，各种摄像机采集到的都是2D图像。但当光栅投影到物体表面时，由于物体外形凹凸等几何形状变化，周期性光栅的相位受到调制产生的畸变条纹，变形条纹图虽然是2D图像，但携带有3D信息，这些信息包含在相位里。变形条纹图可以认为是由于三维物面对投影栅像的相位和振幅调制的结果，可由相位分布表征。通过提取相位达到获取高度的方法称之为相位法。位相测量轮廓术采用正弦条纹投影，当正弦条纹图样投影到参考平面上和三维漫射物体表面上时，采集的变形条纹图的光强可分别表示为:
Figure GDA0003114514950000071
Figure GDA0003114514950000072
要得到变形条纹，首要条件是投影***和探测***成一定角度。所以位相测量轮廓术仍是基于三角测量原理。图3中，R为参考平面，P1和P2是光栅投影***的入瞳和出瞳。I2和I1是CCD成像***的入瞳和出瞳。成像光轴垂直于参考平面，并与投影光轴相交于参考平面上的O点。
用一像差很小的投影设备，将一条纹平行且方向与Y轴平行的光栅斜向投影到与Z轴垂直的参考平面R上时，R上图像的条纹仍然是平行的，如图4的(a)所示。由于是斜向投影，当在垂直方向上观察R上的条纹图像时，其上条纹是平行的。当用正弦条纹投影时，平面上具有相同Y值的直线上的光强近似为正弦变化，周期为P，其上任一点具有相应的相位值
Figure GDA0003114514950000073
如果条纹投向的不是平面，而是一个与参考平面R有一定高度差的不平物体表面时，虽然在投影方向上看，条纹仍是平行的，但在垂直方向上观察时，则条纹是弯曲的。如图4的(b)所示，条纹的弯曲程度与表面相对参考平面R的高度差有关。此时，平面上具有相同Y值的直线上的光强不再是周期相同的正弦变化，有的区域频率高，有的区域频率低。此时，各点的相位值
Figure GDA0003114514950000074
与平面时的显然不同。如图3所示，原来投射到参考平面上A点的光线，由于被测曲面的存在而只照到D点，这样，摄像机测量到D点的相位实际上与参考平面中C点的相位一样，即由于曲面高度对相位的调制，相当于把A点移相到了C点，移相值为
Figure GDA0003114514950000075
也就是说，正弦条纹被曲面调制成了变形的条纹。
采用发散照明的PMP***如图5所示。利用成像面上任意点去包裹后的相位值通过图5所示的三角关系可以计算出物体表面对应点的高度值。设参考平面上的条纹周期(节距)为P，摄像机光心到参考平面的距离为l，且其光轴与参考平面垂直。投影***光心与摄像装置光心的连线P2I2的长度为d，且平行于参考平面。D为待测物上任一点，线段DB的长度h即为D点的高度。A、C点分别是D点与两光心连线和参考平面的交点。
由于投影光线是发散的，在基准平面上的相位分布已不是线性分布，需要一种相位映射算法来处理从位相到高度的计算过程。当正弦条纹被投影到参考平面时，在参考平面上沿x方向的强度分布为:
Figure GDA0003114514950000081
但是参考平面上每一点相对于参考点O的相位值是唯一的和单调变化的。根据***结构参数，可以计算在参考平面光场上的相位分布，建立参考平面坐标(x，y)与相位分布
Figure GDA0003114514950000082
之间的映射关系，相当于建立空间相位查找表，将这一映射关系以数据表的形式存储在计算机中。在测量三维物体表面时，在探测器阵列上DC点可以测量物点D的位相
Figure GDA0003114514950000083
它对应于参考平面上A点的相位
Figure GDA0003114514950000084
另一方面由阵列上同一点DC在参考平面上所对应的相位
Figure GDA0003114514950000085
已经以映射表的形式存储在计算机中，这意味着距离OC是已知的。参考平面上位置A的确定可以先在映射表中查找与
Figure GDA0003114514950000086
最接近的两个相位值
Figure GDA0003114514950000087
和
Figure GDA0003114514950000088
使
Figure GDA0003114514950000089
然后通过线性插值的方式获得
Figure GDA00031145149500000810
这说明OA是可以通过对相位的测量和映射关系求出的，所以:
OC＝OC-OA (4)
由相似三角形ΔP2DI2和ΔADC可以计算出物点的高度分布为:
Figure GDA00031145149500000811
在实际应用中，AC≤d，上式可进一步简化为:
Figure GDA00031145149500000812
三维轮廓图像的重建过程具体包括如下步骤：
S101，对待测物进行正弦条纹扫描。
S102，分别获取参考平面的参考条纹图及待测物的变形条纹图。
由于条纹的弯曲是由物体曲面高度变化引起的，使得周期性条纹的相位受到调制。也就是说，条纹的弯曲程度与待测物表面相对参考平面的高度差有关，根据几何三角关系，可以获得待测物调制引起的相位变化。
S103，对参考平面进行空间相位标定，并且根据空间相位标定建立空间相位查找表。
S104，对待测物上的变形条纹进行相移处理，获得多幅相移图。
在本实施例中，通过前后移动激光器，使投影到物体表面的正弦条纹沿x轴方向分别移动0、2、4个像素，从而产生3幅光强分布为I1，I2，I3的相移图，如图6所示。
S105，根据多幅相移图计算出截断相位分布，如图7(a)所示。
S106，根据截断相位分布获得连续相位。
具体地，通过相位展开将截断相位分布恢复成原有的连续相位分布。在本实施例中，通过MATLAB软件中的封装函数unwrap对截断相位分布进行相位展开处理，从而得到连续相位，结果如图7(b)所示。
S107，根据连续相位获得待测物的相位。
通过相位展开得到的连续相位
Figure GDA0003114514950000091
其中，不仅包含待测物的相位值
Figure GDA0003114514950000092
还包含了参考平面的相位值
Figure GDA0003114514950000093
即
Figure GDA0003114514950000094
为了得到待测物的相位值
Figure GDA0003114514950000095
必须从
Figure GDA0003114514950000096
中减去
Figure GDA0003114514950000097
在本实施例中，先通过空间相位查找表查找
Figure GDA0003114514950000098
最接近的两相位值
Figure GDA0003114514950000099
和
Figure GDA00031145149500000910
使
Figure GDA00031145149500000911
再通过线性插值的方式获得
Figure GDA00031145149500000912
则待测物的相位为:
Figure GDA00031145149500000913
S108，根据待测物的相位获得待测物的高度信息。
在本实例中，根据高度公式(6)可得:
Figure GDA0003114514950000101
通过计算多幅相移图获得重构的待测物的高度信息。在本实施例中，d和l为***预设的参数，利用MATLAB软件中的函数mesh，从而输出待测物的三维轮廓。
上述实施例中的空间相位标定是基于笛卡尔坐标系(XYZ坐标系)，可以了解，在可选的实施例中，空间相位标定也可以是基于极坐标系(360度)。
以上为对本发明所提供的一种激光干涉装置及应用该激光干涉装置的三维重建成像***的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种激光干涉装置，用于采集待测物上的条纹，其特征在于，包括激光器、反射镜以及鱼眼采集器，其中，所述反射镜包括第一圆锥反射镜和第二圆锥反射镜，所述第一圆锥反射镜的底部嵌入所述第二圆锥反射镜的顶部，并且所述第一圆锥反射镜的锥角小于所述第二圆锥反射镜的锥角；所述激光器射出的锥形光线依次经过所述第一圆锥反射镜和所述第二圆锥反射镜形成条纹，所述条纹被反射到待测物上，所述鱼眼采集器用于采集待测物上的所述条纹。
2.根据权利要求1所述的激光干涉装置，其特征在于，所述鱼眼采集器为鱼眼镜头，所述鱼眼镜头面向待测物，所述鱼眼镜头和待测物呈预设距离设置。
3.根据权利要求1所述的激光干涉装置，其特征在于，所述鱼眼采集器包括第一鱼眼镜头和第二鱼眼镜头，所述第一鱼眼镜头和所述第二鱼眼镜头分别用于采集待测物上的所述条纹。
4.根据权利要求3所述的激光干涉装置，其特征在于，所述第一鱼眼镜头面向所述第二鱼眼镜头设置；或者，所述第一鱼眼镜头和所述第二鱼眼镜头同向设置，并且面向待测物。
5.根据权利要求1所述的激光干涉装置，其特征在于，所述鱼眼采集器包括鱼眼镜头和平面反射镜，所述鱼眼镜头位于所述反射镜和所述平面反射镜之间，所述鱼眼镜头面向所述平面反射镜设置，所述鱼眼镜头的侧面采集待测物上的所述条纹，所述鱼眼镜头的正面通过所述平面反射镜采集待测物上的所述条纹。
6.根据权利要求1所述的激光干涉装置，其特征在于，所述第一圆锥反射镜和所述第二圆锥反射镜呈一体或者分体结构。
7.根据权利要求1所述的激光干涉装置，其特征在于，所述激光器和反射镜的中心位于同一直线上。
8.一种三维重建成像***，其特征在于，包括处理装置以及权利要求1-7任一项所述的激光干涉装置，所述处理装置和所述鱼眼采集器信号连接，所述鱼眼采集器将采集的所述条纹发送给所述处理装置，所述处理装置用于根据所述条纹生成待测物的三维轮廓图像。
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