Пятитактный фазовый 3-d сканер
FIVE-STROKE PHASE 3-D SCANNER

Устройство относится к области измерительной техники и может быть использовано для визуализации, математического моделирования и распознавания трехмерных объектов.
Устройство реализует принцип структурированной подсветки измеряемой поверхности и принцип триангуляции для получения ее точек. Известны устройства (например сканеры Range Vision, Artec 3d), применяющие двоичное структурирование света, которые, при условии приемлемой точности, должны использовать 7-8 тактов съемки за цикл. Известны также устройства, использующие гармоническую подсветку. Наиболее близким является устройство, описанное в [1]. Оно выбрано в качестве ближайшего прототипа. Устройство содержит проектор Р и камеру С, которая смещена относительно проектора на величину dY (фиг. 1). В качестве структурированной подсветки используется гармонический световой сигнал и всего три такта съемки за цикл. При этом в каждом такте фаза светового сигнала проектора меняется на 120 градусов. В этом случае в любой точке поверхности, для сигналов на выходе камеры имеем:
Из уравнений (1) легко получить выражение для psiY.
В [2] приводится также упрощенный алгоритм:
Здесь:
В обоих случаях, для любой точки N (фиг. 1) с координатой у луча CN, по трем значениям В1, В2, В3 определяется фаза psiY сигнала камеры в этой точке (которая совпадает с фазой сигнала проектора для этой точки). Зная значение psiY для проектора, можно определить точку N0 и координату yO луча проектора PN0. Точка М пересечения лучей CN и PN0 является точкой измеряемой поверхности. Ее легко найти из треугольников РМС и NMN0.
Описанное устройство обладает существенным недостатком. Фаза psiY не должна превышать значения 2Pi. В противном случае, появляется неоднозначность решения (2) или (4). Физически это означает, что смещения световой полосы, связанные с изменением координаты Z измеряемой поверхности, не должны превышать ее ширины, (ширина полосы - это период гармонических колебаний). С другой стороны, ширину полосы проецируемого света нельзя делать большой, т.к. это приводит к резкому падению точности (из-за нелинейных искажений). Таким образом, недостатком устройства является малый допустимый диапазон перепадов уровня Z поверхности.
Сущность заявляемого устройства состоит в том, что с целью расширения допустимого диапазона перепадов уровня Z поверхности и увеличения точности, оно измеряет смещения световых полос в двух взаимно перпендикулярных направлениях (X и Y).
Новизна устройства состоит в том что в нем:
1. Вводится небольшое дополнительное смещение dX камеры относительно проектора (фиг. 2).
2. Используется 2 дополнительных такта съемки за цикл (фиг. 3).
Наличие указанных существенных признаков приводит к достижению технического результата, который выражается в расширении допустимого диапазона перепадов уровня Z измеряемой поверхности и повышении точности за счет использования узких световых полос.
Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения. Других технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками не обнаружено.
На фиг. 1 показана схема работы прототипа.
Фиг. 2 поясняет принцип работы предлагаемого устройства. Здесь Р - проектор, С - камера, В.У. вычислительное устройство.
На фиг. 3 показаны 5 тактов проектора.
На фиг. 4а показана 3-d модель объекта при использовании алгоритма [1] прототипа в случае перепадов, превышающих ширину полосы. (Виден разрыв поверхности).
На фиг. 4б - результат работы (3-d модель объекта) для предлагаемого устройства.
Устройство работает следующим образом. В пяти тактах съемки проектор формирует пять различных световых сигналов (фиг. 3). Первые 3 такта воспроизводят алгоритм (3) - формируются полосы, параллельные оси X (Y-полосы), сдвинутые по фазе на 90 градусов, и постоянный сигнал (b0). Дополнительно вводятся еще два сигнала - полосы, параллельные оси Y (Х-полосы), также сдвинутые на 90 градусов (такты 4,5). На выходе камеры, для каждой точки поверхности все 5 сигналов имеют вид (фиг. 3):
Из первых трех уравнений системы (3) легко определяется угол psiY, из трех последних - угол psiX.
Значения сигналов В1-В5 поступают на вычислительное устройство - ВУ (фиг. 2), которое по формулам (6), (7) определяет значения psiX и psiY.
Отклонение камеры dX от проектора значительно меньше величины dY и выбирается таким образом, чтобы смещения Х-полос вдоль оси X не превышало их ширины при любых перепадах уровня измеряемой поверхности. В этом случае значение psiX не будет превышать величины 2Pi и из (7) будет определятся однозначно. По найденному значению psiX нельзя находить точки измеряемой поверхности (мала точность из-за малости величины dX), однако, ее хватает, чтобы определить количество 2Pi - интервалов в выражении (6) для psiY. Таким образом, с помощью psiX, угол psiY определяется вычислительным устройством однозначно. Далее, используя значение psiY, ВУ находит координаты точек измеряемой поверхности методом триангуляции, описанном выше для прототипа в любом диапазоне изменения координаты Z.
Предлагаемый способ может использоваться в различных технологических процессах с целью визуализации, математического моделирования и физического воспроизведения геометрии трехмерных объектов.
Литература.
[1] Peisen S. Huang and Song Zhang. Fast three-step phase-shifting algorithm.
[2] Song Zhang. Recent progresses on real-time 3D shape measurement using digital fringe projection techniques.
[3] Patent: US 2009238449 A1, 24.09.2009.