[发明专利]结构化光投影仪和具有这种投影仪的三维扫描仪

说明书

本申请涉及结构化光投影仪和具有这种投影仪的三维扫描仪。一种结构化光投影仪，接连地包括光源、光谱分解光学系统(3)、编码装置(5)、光谱重组光学系统(8)和投影光学系统；所述编码系统(5)包括掩模(51)，掩模(51)具有由2*n个行和m个列形成的二进制编码矩阵图案，一个子图案由通过波长为λmin的光束图像照亮的第“1”到第“n”行定义，和一个子图案由通过波长为λmax的光束图像照亮的第“n+1”到第“2*n”行定义，两个子图案是相同的或互补的，以及两个相邻列分别具有彼此不同的二进制编码。

技术领域

本发明涉及结构化光投影仪，尤其涉及用于三维扫描的结构化光投影仪、以及具有所述投影仪的三维扫描仪.

背景技术

三维扫描仪为能够测量场景或物体表面各个点的几何坐标(x，y，z)的仪器.由于通常根据在笛卡尔坐标系(coordonnées cartésienne)上的位置(x，y)表达深度(或距离)z，测量结果常常被认为是成像场景的称作“深度”的图.所采集的深度图还可被用于构成用于以各种目的的三维合成图像(数字化物体).

可使用多种扫描技术：一些技术需要与待数字化表面物理接触，例如三维测量机构(MMT，machine à mesurer tridimensionnelle)，为此通过接触或触笔传感器触碰表面来实施测量。其它技术能够实施无物理接触的测量，如基于使用稍有间隔且指向相同场景的两个摄像头的立体系统，为此从两幅图像之间的几何变形推断出深度.

三维即“结构化光”扫描仪为非接触三维扫描仪的一个特定系列.这些扫描仪由光投射仪构成，通常基于视频投影仪原理实施或由产生干涉条纹(用于“相移”技术)的激光系统构成，和相对于投影仪几何上分隔的至少一个摄像头，以实施立体配置.投影仪向待测量表面投射几何上为一维或二维(例如线条或图像)和任选地彩色的“结构化”光图案.位于距称为“体视基”的投影仪一定距离的摄像头获得和记录场景图像.投射的结构化图案由适当选择的元素图案(本文中称为“结构化元素”)构成，以可在获取图像上检测到这些元素图案.

通过在投影方向和各个结构化元素成像方向之间采用三角测量法得到所观看场景表面上各个点的几何位置(x，y，z).用于带结构化光线的三维场景中的图案通常被以黑白色、灰度级、彩色或三种效果的结合来投射(例如J.Geng的文章《结构化光3D表面成像：指南，Structured-Light 3D surface imaging：a tutorial》，Advances in Optics andPhotonics 3，pp.128-160，2011).在观看场景是静态的情况下，即“多重投射”的图案顺序投射(暂时地)方法(例如“二进制模式”或“格雷码”的“移相”技术)，由于在顺序图像中可得到信息互补性(例如见J.Geng，2011)，能够得到精确和可靠的测量。在待观察场景是移动的情况下，如果要求两幅图像相对场景的适当移动足够快速，需要对图像(即“单射”)、或两幅图像(即“双射”)采用非顺序投射方法.非顺序技术表明投射多个彼此完全不同的结构化元素，以便在通过摄像头采集的图像可标识出.例如，这些结构化元素可为带状的，其颜色通过《De Bruijn》序列定义，又或通过编码点云(见J.Geng，2011)定义。

在数字化表面呈现起伏或间断(例如孔或阻塞)的大梯度时，利用非连接技术、通过现有技术的结构化光线三维扫描仪产生的深度图可能在这些奇怪形状附件被偏置或不完整，由于一些投射的结构化元素仅为局部可观察到的(即部分被遮掩)或过度变形，因此在由摄像头采集的图像中不总是可标识出的.

而且，现有技术结构化光三维扫描仪基本能够产生图像场景的深度图、或任选地设置其外观(颜色、文本......)信息，但不提供能够推断出场景元素的构成材料属性的量化数据.

联合用于深度图的信息对于精确和自动产生场景元素识别和分类是特别有用的.