Трехтактный фазовый 3-d сканер с двумя камерами
THREE-CYCLE PHASE 3-D SCANNER WITH TWO CHAMBERS

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. Так, устройство, описанное в заявке №2018138617/28(064184) использует только 5 тактов съемки.
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 угла psi - фазы сигнала в этой точке:
psi = arctan(√3 *(B1 – B3)/(2*B2 – B1 – B3)) + 2k*Pi;             (2)
Таким образом, для любой точки N (фиг. 1) с координатой у луча CN, по трем значениям В1, В2, В3 определяется фаза psi сигнала камеры в этой точке (которая совпадает с фазой сигнала проектора для этой точки). Зная значение psi для проектора, можно определить точку N0 и координату у0 порождающего луча проектора PN0. Точка М пересечения лучей CN и PN0 является точкой измеряемой поверхности. Ее легко найти из треугольников РМСи NMN0.
Описанное устройство обладает существенным недостатком. Фаза psi не должна превышать значения 2Pi (k=0). В противном случае, появляется неоднозначность решения (2). 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 за счет уменьшения ширины световых полос, оно имеет дополнительную камеру С1 (Фиг. 2), которая расположена на малом расстоянии dY1 от проектора и работает синхронно с основной камерой С.
Новизна устройства состоит в том что в нем:
1. Вводится дополнительная камера, которая расположена на малом расстоянии от проектора и которая также осуществляет 3 такта съемки, синхронно с основной камерой.
2. Информация с дополнительной камеры поступает на вычислительное устройство ВУ и используется совместно с информацией основной камеры.
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 - основная камера, С1 - дополнительная камера, ВУ - вычислительное устройство.
На фиг. 3а, 3б показаны 3 такта проектора, отснятые камерами С1 и С, соответственно
На фиг. 4а показана 3-d модель объекта при использовании алгоритма прототипа [1].
На фиг. 4б - результат работы (3-d модель объекта) для предлагаемого устройства.
Устройство работает следующим образом. В трех тактах съемки проектор формирует три различных световых сигнала (фиг. 3а, б) - световые полосы, параллельные оси X, сдвинутые по фазе на 120 градусов относительно друг друга вдоль оси Y.
На выходе камеры С, для каждой точки поверхности эти сигналы описываются уравнениями (1), где В1-В3 - интенсивности сигналов, psi - их фазовый сдвиг, b0 - средняя составляющая, b - амплитуда. Из (1) легко выводится выражение (2) для угла psi.
Аналогичным образом, для камеры С1 будем иметь:
откуда:
psi = arctan(√3 *(B11 – B31)/(2*B21 – B11 – B31));             (4)
Камера С1 расположена на таком близком расстоянии dY1 от проектора (Фиг. 2), что при максимальном перепаде уровня измеряемой поверхности, величина смещения световых полос не превышает их ширины. Иными словами значения psi1 в любой точке не превышают величины 2Pi (k=0) и, следовательно, с помощью (4) определяются вычислительным устройством ВУ однозначно.
По найденному значению psi1 нельзя находить точки измеряемой поверхности, т.к. мала точность из-за малости величины dY1, однако, ее хватает, чтобы определить количество 2Pi - интервалов в выражении (2) для угла psi. Таким образом, с помощью psi1, угол psi определяется вычислительным устройством также однозначно. Далее, используя значение psi, ВУ находит координаты точек измеряемой поверхности методом триангуляции, описанном выше для прототипа в любом диапазоне изменения координаты Z.
На фиг. 4б показан результат работы предлагаемого устройства.
На фиг. 4а показана 3-d модель объекта при использовании алгоритма прототипа в случае перепадов, превышающих ширину полосы. (Виден разрыв поверхности).
Устройство 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: Method and Apparatus for Absolute-Coordinate Three-Dimension Surface Imaging. Song Zhang, …