基于DLP的嵌入式结构光三维扫描系统

摘要

光学三维扫描技术是集光、机、电和计算机技术于一体的智能化、可视化的高新技术，在自动化检测、工业设计、生物医学、虚拟现实和一些逆向工程领域被广泛研究和应用。近些年来，三维扫描仪的热度在不断上升，对快速的、便携式的三维扫描仪关注度尤为突出。
　　本文针对研究现状，详细介绍了结构光投影三维扫描的原理和流程，对DMD（数字微镜器件）进行设计，作为结构光的发生装置，并且用FPGA作为装置的主控芯片，实现高速的DMD的控制和相机的同步采集。根据设计思路，在光学平台上搭建了三维扫描系统，并应用四步相移法完成三维扫描实验。本文的具体研究工作如下:
　　(1)本文设计并实现了基于DMD的结构光发生器。本系统使用了TI公司的DLPDiscovery4100的开发套件，其中包括了0.7XGA2xLVDS A类DMD，Xilinx Virtex-5FPGA作为主控芯片，以及镁光的64位SO-DIMM的DDR2 SDRAM。系统通过PWM调制，完成高速地DMD灰度图显示，可以根据使用者需要生成了不同方向、不同周期的正弦条纹结构光，并可以将其清晰、快速地投影显示。
　　(2)本文通过主控芯片FPGA同步DMD的显示刷新和相机采集曝光，完成了高速相机对正弦条纹投影的同步触发和采集。本系统中使用了JAI的RM系列的高速相机，分辨率为640×480，最高可以进行200Hz的帧率。通过对JAI相机的控制，实时完整地采集高速投影的正弦条纹灰度图，用于后续的三维扫描实验。
　　(3)本文结合结构光投影三维扫描的原理，根据本文的硬件设计，在光学平台上搭建三维扫描系统，完成基于传统的四步相移法三维结构光扫描。系统根据使用者需求投影指定方向、指定周期的正弦条纹结构光，同步采集图像，然后通过软件设计完成对采集图像的预处理、相位解调、相位展开、相位一高度映射还原得到三维的深度信息并建模。
　　本文设计的系统，可以完成最高每秒464.8帧不同方向、不同周期的正弦条纹结构光显示，并且完成了每秒194帧的相机触发采集，最终获得清晰、深度信息丰富的三维扫描的效果图并对三维深度信息进行重建。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 三维扫描技术的研究现状

1．2．1 三维测量技术

1．2．2 空间光学调制器

1．2．3 国内外扫描仪现状

1．3 本文研究的主要内容

第二章 结构光三维扫描原理

2．1 结构光三维扫描的原理概述

2．2 相位解调的方法——相移法

2．3 相位展开

2．3．1 空域相位展开

2．3．2 时域相位展开

2．4 本章小结

第三章 DMD的基本原理及灰度调制显示

3．1 DMD的基本结构和工作原理

3．1．1 DMD的机械结构和电气结构

3．1．2 DMD的工作原理

3．2 DMD的参数性能

3．3 DMD的工作方式

3．3．1 数据的加载

3．3．2 块操作

3．3．3 块清零

3．3．4 块的分阶段操作

3．4 DMD的灰度调制显示

3．4．1 二进制图像的显示

3．4．2 时间灰度调制

3．5 本章小结

第四章 三维扫描系统的设计

4．1 总体框架设计

4．2 结构光发生器的设计

4．2．1 功能选择开关的设计

4．2．2 单口ROM的设计

4．2．3 DDR2 SDRAM的设计

4．2．4 DMD控制器的设计

4．3 图像采集模块设计

4．3．1 图像采集模块的硬件选型

4．3．2 相机采集模块

4．3．3 相机的同步触发

4．4 本章小结

第五章 三维扫描系统的实验及分析

5．1 实验平台的搭建

5．1．1 硬件系统的实现

5．1．2 软件系统的实现

5．2 实验结果及分析

5．2．1 结构光投影的结果

5．2．2 结构光三维扫描实验结果

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简介及科研成果