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专利名称：基于嵌入式实时数字微镜模块的便携式光三维测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于嵌入式实时数字微镜(digital micro-mirror device, DMD)模块的便携式光三维测量装置，特别是一种集三维扫描、数据处理和三维显示的微型
结构光三维测量装置。
背景技术：
结构光测量方法的研究最早出现于20世纪70年代。随着计算机技术和计算机图形学的快速发展，基于结构光的三维测量已经成为目前三维测量的主要趋势。在众多的测量方法中，结构光三维测量以其大量程、大视场、较高精度、光条图像信息易于提取、实时性强及主动受控等特点，近年来被广泛应用于工业三维测量领域。结构光三维测量装置主要由三个部分构成结构光投射装置、图像获取装置(通常为CCD摄像头)和控制、数据处理及显示装置(通常为计算机)。传统的结构光三维测量装置体积较大，不便于携带；现有的便携式结构光三维测量装置正常工作时，均需要与计算机相连，都没有真正实现装置的手持式。 本发明采用自主设计的微型结构光投射装置、嵌入式系统相结合的设计，采用电池供电，无需连接电源，真正实现了结构光三维测量装置的微型化和便携化。传统的结构光投射装置主要由两种由激光器、透镜及光栅的组合而成的激光投射系统和由投影仪直接生成结构光的光学投射系统。激光投射系统，原理相对简单，但是获得的结构光的质量较差，噪声较大，进行优化将大大增加系统的复杂性，同时难以实现微型化；采用投影仪的光学投射系统，方法简单，容易获取高质量结构光，但是其存在不完全可控的缺陷，难以实现嵌入式应用。目前基于嵌入式实时DMD模块、嵌入式系统和显示设备，将三维扫描、数据处理和实时显示完全集成于一体的结构光三维测量装置未见文献报道。

发明内容
本发明装置的目的在于针对已有技术存在的缺陷提供一种基于嵌入式实时数字微镜模块的便携式光三维测量装置，具有三维扫描、数据处理和三维显示集成于一体的特点，采用电池供电，无需连接电源，真正实现手持式。为了保证生成结构光的质量和实现结构光投射系统的实时可控及嵌入式应用，本发明提出采用基于自主设计的嵌入式实时DMD模块，获得了高质量的结构光、实现了结构光投射系统的微型化及实时可控。为了获得高质量的结构光，本发明采用自主设计的嵌入式实时DMD模块作为光调制器件，利用其特有的特点实现高质量结构光的生成。自主设计的嵌入式实时DMD模块的核心部件是数字微镜，DMD是美国德克萨斯仪器公司的产品，是一种空间光调制器件，为数字投影仪中的核心器件，可以对投射在其上的光束进行强度调制，并可以由计算机控制输出不同灰度分布的图案。同时，DMD相比其他空间光调制器件，具有独特的微镜翻转特性， 即当一束光投射其上时，可反射生成各种形式的结构光，因此，DMD在本发明系统中起到三个作用反射镜、分光镜和光调制器，系统结构简单，同时能够得到高质量的结构光，实现结构光范围、大小和分辨率的实时可控。为了更好的实现结构光三维测量装置的微型化和便携化，本发明提出采用自主设计的ARM6410嵌入式系统，替代传统的结构光三维测量装置中的计算机，配备LCD显示屏进行实时显示，实现了结构光三维测量装置的三维扫描、数据处理和三维显示的一体化；采用电池供电，无需连接电源，更好的实现了结构光三维测量装置的微型化和便携化。为达到上述目的，本发明的构思是以数字微镜为核心部件的嵌入式实时DMD模块和LED光源系统的组合作为嵌入式结构光投射装置；CXD摄像头作为图像采集装置；以 ARM6410为核心的嵌入式系统作为数据处理装置和以IXD显示屏作为三维显示装置。嵌入式结构光投射系统的LED光源产生的扩散光束经准直透镜后变成平行光束，入射到嵌入式实时DMD模块，根据实际的需要ARM6410嵌入式系统控制调整DMD的工作模式，产生匹配模式的结构光，投射到目标物体上，CCD摄像机采集图像信息并传输至ARM6410嵌入式系统， 进行数据处理和三维重构，在配置的LCD上显示目标物体的三维形貌。根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案
一种基于嵌入式实时数字微镜模块的便携式光三维测量装置，包括一个嵌入式结构光投射装置、一个数据采集系统和一个LCD显示屏，其特征在于所述嵌入式结构光投射装置由一个LED光源系统连接一个嵌入式实时DMD模块构成；所述LED光源系统由一个LED和一个出射光对准的准直透镜构成；所述嵌入式实时DMD模块由一个DMD驱动板与一个DMD构成；所述数据采集系统由一个C⑶摄像头连接一个ARM6410嵌入式系统构成；所述ARM6410 嵌入式系统连接所述嵌入式实时DMD模块和LCD显示屏；所述LED出射的扩散光束经准直透镜后变成平行光束，入射到嵌入式实时DMD模块，ARM6410嵌入式系统控制设置DMD的初始工作模式，平行光束入射到DMD上，生成初始模式的结构光投射到被测物体表面；根据被测物体的特征区域，ARM6410嵌入式系统实时调整DMD的工作模式，实时控制结构光的范围、大小和分辨率，生成匹配被测物体特定区域的不同分辨率的结构光，使被测物体的特征区域具有不同的分辨率；通过CXD摄像头进行图像信息采集，传输至ARM6410嵌入式系统进行相关的数据处理和三维重构，最终通过LCD显示屏显示被测物体的三维形貌。上述嵌入式实时DMD模块固定于装置框架上，可对DMD反射面进行多自由度的调整。上述的嵌入式实时DMD模块，以DMD为主要核心部件，采用的是美国德州仪器公司的产品，自主设计的嵌入式系统相连。嵌入式实时DMD模块中的数字微镜在嵌入式系统的控制下可以对光的模式进行调制。微镜可以转动两个方向其中一个方向能将入射光反射到投射透镜，投射到银幕上；另一个方向可将入射光反射到吸收平面，由吸收平面把光吸收。其转动由它下面的存储器单元的状态来控制，是由微镜本身与下面存储单元之间电压差所产生的静电吸引来完成。当存储器单元处于“开”即“1”状态时，微镜转到+10°，银幕上是亮的；当存储器单元处于“关”即“0”状态时，微镜转到-10°，银幕是暗的。当平行光束照射到数字微镜表面时，根据实际的需要调整数字微镜的工作状态，反射生成各种模式的结构光。上述的ARM6410嵌入式系统以ARM6410为核心，结合DSP与FPGA构成快速处理嵌入式系统，能实时控制DMD，对采集的图像数据进行快速处理和三维重构，替代了传统的计算机，实现了装置的微型化。上述的CXD摄像头与ARM6410嵌入式系统相连接，构成一个完整的图像采集系统。整个基于嵌入式实时数字微镜模块的便携式光三维测量装置采用电池供电，无需连接电源，适合多种场合的应用。整个基于嵌入式实时数字微镜模块的便携式光三维测量装置设置了 USB通信接口和SD卡外接存储器接口，能够方便快捷的与各种终端进行数据传输和存储。本发明与其它结构光三维测量装置相比较，具有如下显著的特点发明中采用了 LED光源与自主设计的嵌入式实时DMD模块相结合的结构光投射装置，实现了装置的嵌入式应用，为完全实时可控结构光系统的提供了实现的保证。实时可控结构光系统可以设定特定的投射区域和提供条纹间距和条纹方向的度量附加信息，产生范围、大小和分辨率实时可控的结构光。对特定区域投射不同分辨率的条纹结构光，使目标物体的特征区域具有不同的分辨率，提高物体的特征分辨率还降低了系统的运算量。采用以ARM6410为核心， DSP和FPGA相结合ARM6410嵌入式系统，实现了整个结构光三维测量装置的微型化，具有实时控制、数据快速处理以及显示的特点。C⑶摄像头与ARM6410嵌入式系统相连，实现了图像采集系统的实时采集。IXD显示屏与ARM6410嵌入式系统相连，实现了被测物体三维信息的实时显示。整个基于嵌入式实时数字微镜模块的便携式光三维测量装置具有结构光投射、采集、处理和显示实时可控的特点。采用电池供电，无需连接电源，适合多种场合的应用。设置了 USB通信接口和SD卡外接存储器接口，能够方便快捷的与各种终端进行数据传输和存储。


图1是结构光三维测量装置结构原理框图。图2是结构光三维测量装置结构示意图。图3是结构光三维测量装置工作流程图。
具体实施方案本发明的一个优选实施例结合

如下，参见图1，本基于嵌入式实时数字微镜模块的便携式光三维测量装置由三部分构成嵌入式结构光投射装置(1-4)、控制与数据处理的数据采集系统(5-6)和IXD显示屏(7)。整个基于嵌入式实时数字微镜模块的便携式光三维测量装置的具体结构以及工作流程，参见图2和图3。参见图2，LED光源系统(3-4)由LED (4)与准直透镜(3)光学系统构成，LED (4) 出射的扩散光束经准直透镜(3)后变成平行光束，入射到嵌入式实时DMD模块(1-2)，嵌入式实时DMD模块(1-2)由DMD驱动板(1)与DMD (2)构成，嵌入式实时DMD模块(1-2)和LED 光源系统(3-4)构成完整的嵌入式结构光投射装置(1-4)。DMD驱动板(1)与以ARM6410为核心，结合FPGA和DSP快速处理的ARM6410嵌入式系统(6)相连，ARM6410嵌入式系统(6) 控制设置DMD (2)的初始工作模式，平行光束入射到DMD (2)上，生成初始设定模式的结构光投射到被测物体(10)表面，LED光源系统(3-4)与嵌入式实时DMD模块平面(1_2)之间有一定的角度，便于高质量的结构光生成以及投射。根据被测物体(10)的特征区域不同， ARM6410嵌入式系统(6)实时调整DMD (2)的工作模式，实时控制结构光的范围、大小和分辨率，生成匹配被测物体(10)特定区域的不同分辨率的结构光，使目标物体的特征区域具有不同的分辨率。通过CXD摄像头(5)进行图像信息采集，CXD摄像头(5)与ARM6410嵌入式系统(6)相连，构成数据采集系统。采集到的图像信息传输至ARM6410嵌入式系统(6)进行相关的数据处理和三维重构，最终通过LCD显示屏(7)显示被测物体的三维形貌。
本基于嵌入式实时数字微镜模块的便携式光三维测量装置采用电池(9)供电，无需连接电源，可以满足室外的使用需求；设置了 USB等通信接口和SD卡等外界存储器接口 (8)，可以方便快捷的与各种终端进行数据传输和存储。
权利要求
1.一种基于嵌入式实时数字微镜模块的便携式光三维测量装置，包括一个嵌入式结构光投射装置(1-4)、一个数据采集系统(5-6)和一个IXD显示屏(7)，其特征在于所述嵌入式结构光投射装置(1-4)由一个LED光源系统(3-4)连接一个嵌入式实时DMD模块(1_2)构成；所述LED光源系统(3-4)由一个LED (4)和一个出射光对准的准直透镜(3)构成；所述嵌入式实时DMD模块(1-2)由一个DMD驱动板(1)与一个DMD (2)构成；所述数据采集系统(5-6 )由一个CCD摄像头(5 )连接一个ARM6410嵌入式系统(6 )构成；所述ARM6410嵌入式系统(6)连接所述嵌入式实时DMD模块(1-2)和IXD显示屏(7);所述LED (4)出射的扩散光束经准直透镜(3)后变成平行光束，入射到嵌入式实时DMD模块(1-2)，ARM6410嵌入式系统(6)控制设置DMD (2)的初始工作模式，平行光束入射到DMD (2)上，生成初始模式的结构光投射到被测物体(10)表面；根据被测物体(10)的特征区域，ARM6410嵌入式系统 (6)实时调整DMD (2)的工作模式，实时控制结构光的范围、大小和分辨率，生成匹配被测物体(10)特定区域的不同分辨率的结构光，使被测物体(10)的特征区域具有不同的分辨率； 通过CXD摄像头(5)进行图像信息采集，传输至ARM6410嵌入式系统(6)进行相关的数据处理和三维重构，最终通过IXD显示屏(7)显示被测物体(10)的三维形貌。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式实时数字微镜模块的便携式光三维测量装置，其特征在于所述嵌入式实时DMD模块(1-2)固定于装置框架上，可对DMD (2)反射面进行多自由度的调整。
3.根据权利要求1所述的基于嵌入式实时数字微镜模块的便携式光三维测量装置，其特征在于，其特征在于所述的ARM6410嵌入式系统(6)是以ARM6410为核心集合FPGA和DSP 构成地快速处理嵌入式系统，能实时控制DMD(2)，并对采集的图像数据进行快速处理和三维重构。
4.根据权利要求1所述的基于嵌入式实时数字微镜模块的便携式光三维测量装置，其特征在于设置了 USB通信接口和SD卡外接存储器接口(8)，能够方便快捷与各种终端进行数据传输和存储。
5.根据权利要求1所述的基于嵌入式实时数字微镜模块的便携式光三维测量装置，其特征在于采用电池(9)供电，无需连接电源，实现了整个装置的便携式应用，可以满足多种场合的应用。
全文摘要
本发明涉及一种基于嵌入式实时数字微镜模块的便携式光三维测量装置。整套装置由一个LED光源系统、嵌入式实时DMD模块、ARM6410嵌入式系统、微型CCD摄像头和LCD显示屏组成。通过嵌入式实时DMD模块，实现结构光投射系统的实时可控，产生范围、大小和分辨率实时可控的结构光；结合ARM6410嵌入式系统、微型CCD摄像头和LCD显示屏实现物体的三维测量、重构和显示；整个装置采用电池供电，无需连接电源，适合多种场合的应用。本发明装置合理紧凑，操作简便，适合于结构光三维形貌测量以及3D人脸识别系统。
文档编号G01B11/24GK102175180SQ20111004489
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月25日 优先权日2011年2月25日
发明者于瀛洁, 何德威, 张志伟, 许小颖 申请人:上海大学