CN114630093B - 滚筒式线阵投影光源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滚筒式线阵投影光源，包括转动设置的滚筒，滚筒沿中心轴线方向在筒壁上蚀刻有条纹，滚筒为透明滚筒；滚筒内设置有投影结构光的光源，光源发出的成像时所需的亮度；成像时，点亮设置在滚筒内的光源，所述的滚筒转动，触发线阵相机进行拍照，同时被测物开始运动。本发明利用常规光源结合刻有投影条纹的滚筒组成的投影***来代替DMD投影***，摆脱了价格高昂的DMD芯片的制约，降低了成本且摆脱了DMD的技术垄断；基于滚筒快速转动来切换投影图案，配合线阵相机的拍照的频率来进行成像，突破了帧率瓶颈，使投影结构光***拥有更高的帧率；且使得投影光源可用于线阵相机成像；使得投影光源可用于基于线阵相机的应用场景。

Description

滚筒式线阵投影光源

技术领域

本发明涉及视觉检测技术领域，尤其是一种滚筒式线阵投影光源。

背景技术

传统的投影光源称为DLP，是以DMD芯片为核心器件制成的。但是，DMD芯片是美国德州仪器公司的专利产品，不仅价格高昂，而且存在技术垄断，基于DMD的产品生产商很容易受到该公司各项条款以及价格的制约；且DMD本身在帧率上存在瓶颈，目前对于黑白条纹的投影，可以达到上千帧，但对于正弦条纹的投影，DMD最大只能达到120帧，使得其很难应用在高速的正弦条纹投影的场景。

随后，四川大学设计了将刻有投影图案的圆盘与常规光源相结合，制成机械式面阵条纹光源，适用于面阵相机成像。圆盘结构如图1所示，该结构是由刻有正弦条纹的圆盘结合面阵相机组成，由于圆盘上的条纹呈辐射状，会导致投影出的条纹宽度分布不均，从而导致最终的测量或检测精度分布不均；且该结构在圆盘周围设置触发硬件，为硬触发，需要额外增添触发硬件；同时，由于该结构为纯面阵投影结构，只适合应用于面阵相机成像的场景，很难用于线阵相机成像的场景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种滚筒式线阵投影光源，解决了传统基于DMD芯片的投影光源成本太高，而且易受到DMD芯片技术垄断的制约，以及DMD本身存在帧率瓶颈，并且不适用于线阵相机等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种滚筒式线阵投影光源，包括转动设置的滚筒，所述的滚筒沿中心轴线方向在筒壁上蚀刻有条纹，所述的滚筒为透明滚筒；所述的滚筒内设置有投影结构光的光源，所述的光源发出的成像时所需的亮度；成像时，点亮设置在滚筒内的光源，所述的滚筒转动，触发线阵相机进行拍照，同时被测物开始运动。

进一步的说，本发明所述的滚筒上的条纹的蚀刻方法为：将滚筒的筒壁表面沿圆周方向平均分为N个区域，在每个区域中蚀刻一组条纹。

设需要投影的相位结构光为s步相移，滚筒圆柱半径为r，在N个区域中的每一区域内，按照滚筒的转动方向进行子区域划分，从滚筒当前区域的边界开始，依次将该区域划分为n个子区域，表示为：sr_0,sr_1,sr_2...sr_n-1,每个子区域的宽度为w，其中

设光源透过蚀刻的条纹到达一个白色平面，由相机成像获得灰度；将灰度进行灰度级划分，划分为n_s级，

每一级的灰度：

其中：i＝0，1，2，3...n-1；α值为调制度系数，值在0-1之间，β为环境光亮度；

设sr_j上蚀刻条纹的条纹灰度的灰度级为k，则sr_j与k的对应关系为：

其中，％表示取余，j＝0,1,2,...n-1,k＝0,1,2...n_s-1；

即在j号子区域上蚀刻条纹灰度为k。

进一步的说，本发明所述的每个区域内的条纹分布一致。

进一步的说，本发明所述的滚筒转速为Ra转/秒，则每转动

秒，触发一次线阵相机，即将线阵相机的拍照频率设为F,其中F＝n_s*N*Ra；成像时，当线阵相机的拍照频率为F时，被测物的移动速度为v米/秒，则将被测物的运动速度设备

进一步的说，本发明被测物成像完成后，线阵相机获得R行数据，其中，R是s的整数倍，则将R行数组划分，按行顺序行拼接成s幅图像，

即：

I(0)＝[i_r(0)，i_r(s),i_r(2*s)...i_r(R-s)]；

I(1)＝[i_r(1)，i_r(s+1),i_r(2*s+1)...i_r(R-s+1)]；

......

I(s-1)＝[i_r(s-1)，i_r(2*s-1),i_r(3*s-1)...i_r(R-1)]；

其中：

I(m_I)表示拼接成的第m_I幅图像，m_I＝0,1,2....s-1；

i_r(m_i)表示线阵相机获得的第m_i行数据，m_i＝0,1,2....R-1；

线阵相机获得的各行数据按照以上序号顺序进行行拼接，形成s幅图像。

进一步的说，本发明所述的光源为LED灯。

本发明的有益效果是，解决了背景技术中存在的缺陷，本发明利用常规光源结合刻有投影条纹的滚筒组成的投影***来代替DMD投影***，摆脱了价格高昂的DMD芯片的制约，降低了成本且摆脱了DMD的技术垄断；基于滚筒快速转动来切换投影图案，配合线阵相机的拍照的频率来进行成像，突破了帧率瓶颈，使投影结构光***拥有更高的帧率；且使得投影光源可用于线阵相机成像；使得投影光源可用于基于线阵相机的应用场景。

附图说明

图1是现有技术中刻有投影图案的圆盘结构示意图；

图2是本发明滚筒式线阵投影光源的滚筒条纹结构示意图；

图3是本发明滚筒式线阵投影光源工作原理图；

图中：1、投影光源；2、线阵相机；3、被测物；11、滚筒；12、光源；13、条纹。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图2-图3所示的一种滚筒式线阵投影光源1，将滚筒11外表面(即蚀刻条纹的部分)，沿着条纹宽度方向平均分为N个区域，在本实施例中N取4，在每个区域中蚀刻一组设计好的条纹13，每个区域中的条纹为同一种设计方法，即每个区域内条纹分布完全一致；滚筒条纹蚀刻如图2所示，滚筒本身为透明材质(如：有机玻璃)，通过蚀刻工艺改变滚筒壁表面各处的透明度，使滚筒中心的光源12透过滚筒，能投影出需要的亮度；

滚筒条相移纹设计方法如下：

设需要投影的相位结构光(投影光源的主要作用就是投影结构光)为s步相移，

滚筒圆柱半径为r,

单位宽度w,为线阵相机拍投影到条纹后，能够得到想要的灰度时，蚀刻的条纹在滚筒表面沿条纹宽度方向上所占的最小长度，该值通过实验获得；

在滚筒外表面被划分为N个区域中的每一区域内，按照滚筒的转动方向进行子区域划分，即如果滚筒按顺时针方向转动，就也按顺时针方向，从滚筒当前区域的顺时针边界开始处，依次将该区域划分为n个子区域，表示为：sr_0,sr_1,sr_2...sr_n-1,每个子区域的宽度为w，其中

设常规光源，即大功率LED灯透过蚀刻的条纹到达一个白色平面，由相机成像所获得的灰度(以下简称灰度)，将灰度进行灰度级划分，划分为n_s级，

每一级的灰度：

其中：i＝0,1,2,3...n-1；α值为调制度系数，值在0-1之间，β为环境光亮度，αβ由滚筒，常规光源，相机，镜头等硬件条件决定，通过实验获得，实验方法是通用的调制度实验获得法，α越大越好，β越小越好；

设sr_j上蚀刻条纹条纹灰度灰度级为k，则sr_j与k的对应关系为：

其中，％表示取余，j＝0,1,2,...n-1,

k＝0,1,2...n_s-1；

即在j号子区域(即sr_j)上蚀刻条纹灰度为k。

设滚筒转速为Ra转/秒，则每转动

秒，触发一次线阵相机，即将线阵相机的拍照频率设为F,其中F＝n_s*N*Ra；

设在常规成像时，当线阵相机2的拍照频率为F时，被测物的移动速度为v米/秒，则将被测物3的运动速度设备

按照以上步骤结合实际帧率需求确定好以下参数：

(1)滚筒转速Ra；

(2)相机拍照频率F；

(3)被测物移动速度v；

然后，点亮滚筒中间的光源，将滚筒的转速调稳定至r，然后相机以频率F开始拍照，同时被测物以速度v开始运动。

被测物成像完成后，线阵相机设获得了R行数据，在本发明中R是s的整数倍，则将R行数组划分，按行顺序行拼接成成幅图像，即：

I(0)＝[i_r(0)，i_r(s),i_r(2*s)...i_r(R-s)]；

I(1)＝[i_r(1)，i_r(s+1),i_r(2*s+1)...i_r(R-s+1)]；

......

I(s-1)＝[i_r(s-1)，i_r(2*s-1),i_r(3*s-1)...i_r(R-1)]；

其中:

I(m_I)表示拼接成的第m_I幅图像，m_I＝0,1,2....s-1；

即I(0),I(1),I(2)，分别表示数据处理后，得到的第0幅、第1幅和第2幅图像；

i_r(m_i)表示线阵相机获得的第m_i行数据，m_i＝0,1,2....R-1；

即i_r(0),i_r(1),i_r(2)，分别表示第0行，第1行和第2行数据；

上式表示线阵相机获得的各行数据按照以上序号顺序进行行拼接，形成s幅图像。

最后，将获得的s幅图像用于后续的结构光测量检测等算法。

本发明使用常规光源结合刻有投影条纹的滚筒组成的投影光源，能够达到传统投影光源的投影效果，且不再需要DMD,从而摆脱了DMD生产商德州仪器公司在条款和价格上的制约；滚筒与常规光源价格相对于DMD要低的多，从而降低了成本；

本发明的线阵投影光源帧率取决于滚筒的转速，帧率一般为滚筒转速的4-20倍，普通电机的转速可达到1000r/min以上，有高速电机拖动滚筒旋转，即使是正弦条纹，投影帧率也可达4000帧以上，从而突破的DMD投影正弦结构光的帧率瓶颈；

本发明使用如图2所示的滚筒取代四川大学发明中的圆盘，条纹粗细一致，克服了四川大学发明中的投影出的条纹宽度分布不均，从而会导致最终的测量或检测精度分布不均的问题；并且，如图3所示，本发明的滚筒在旋转时会按照设计的交互方法与线阵相机交互，进行成像，属于线投影，可以用作线阵相机成像，从而克服了四川大学发明中难以用于线阵相机成像的场景的问题；

本发明通过条纹的分布设计，使得滚筒以固定转速转动，相机以固定帧率成像即可，属于软触发，提高了触发稳定性，节省了触发硬件。

以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。

Claims (4)

1.一种滚筒式线阵投影光源，其特征在于：包括转动设置的滚筒，所述的滚筒沿中心轴线方向在筒壁上蚀刻有条纹，所述的滚筒为透明滚筒；所述的滚筒内设置有投影结构光的光源，所述的光源发出的成像时所需的亮度；成像时，点亮设置在滚筒内的光源，所述的滚筒转动，触发线阵相机进行拍照，同时被测物开始运动；

所述的滚筒上的条纹的蚀刻方法为：将滚筒的筒壁表面沿圆周方向平均分为N个区域，在每个区域中蚀刻一组条纹；

滚筒条相移纹设计方法为：设需要投影的相位结构光为s步相移，滚筒圆柱半径为r，在N个区域中的每一区域内，按照滚筒的转动方向进行子区域划分，从滚筒当前区域的边界开始，依次将该区域划分为n个子区域，表示为：sr_0,sr_1,sr_2...sr_n-1,每个子区域的宽度为w，其中

设光源透过蚀刻的条纹到达一个白色平面，由相机成像获得灰度；将灰度进行灰度级划分，划分为n_s级，

每一级的灰度：

其中：i＝0，1，2，3...n-1；α值为调制度系数，值在0-1之间，β为环境光亮度；

设sr_j上蚀刻条纹的条纹灰度的灰度级为k，则sr_j与k的对应关系为：

其中，％表示取余，j＝0,1,2,...n-1,k＝0,1,2...n_s-1；

即在j号子区域上蚀刻条纹灰度为k；

所述的滚筒转速为Ra转/秒，则每转动

秒，触发一次线阵相机，即将线阵相机的拍照频率设为F,其中F＝n_s*N*Ra；成像时，当线阵相机的拍照频率为F时，被测物的移动速度为v米/秒，则将被测物的运动速度设备

2.如权利要求1所述的滚筒式线阵投影光源，其特征在于：所述的每个区域内的条纹分布一致。

3.如权利要求1所述的滚筒式线阵投影光源，其特征在于：被测物成像完成后，线阵相机获得R行数据，其中，R是s的整数倍，则将R行数组划分，按行顺序行拼接成s幅图像，

即：

I(0)＝[i_r(0)，i_r(s),i_r(2*s)...i_r(R-s)]；

I(1)＝[i_r(1)，i_r(s+1),i_r(2*s+1)...i_r(R-s+1)]；

......

I(s-1)＝[i_r(s-1)，i_r(2*s-1),i_r(3*s-1)...i_r(R-1)]；

其中：

I(m_I)表示拼接成的第m_I幅图像，m_I＝0,1,2....s-1；

i_r(m_i)表示线阵相机获得的第m_i行数据，m_i＝0,1,2....R-1；

线阵相机获得的各行数据按照以上序号顺序进行行拼接，形成s幅图像。

4.如权利要求1所述的滚筒式线阵投影光源，其特征在于：所述的光源为LED灯。

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