[发明专利]一种飞行时间法和结构光法相融合的结构光三维成像系统及方法

权利要求书

1.一种飞行时间法和结构光法相融合的结构光三维成像方法，其特征在于，包含以下步骤：

(一)搭建基于MEMS的飞行时间法和结构光法的混合成像系统；包括光学投射器和图像传感器，光学投射器用于投射结构光光场，以及发射和接收用于飞行时间成像的激光信息；图像传感器用于拍摄结构光经过被测物反射以后的结构光信息；光学投射器由光电探测器，第一激光器，第一半反半透光学组件，第二激光器，第二半反半透光学组件，二维MEMS微镜组成；其中第一激光器用于发射波长为λ₁的激光，所发射的激光经过第一半反半透光学组件反射以后，再经过第二半反半透光学组件反射，入射到二维MEMS微镜，并被反射到物体表面；波长为λ₁的激光在经过物体的反射后经过二维MEMS微镜和第二半反半透光学组件反射，再透过第一半反半透光学组件照射在光电探测器上，完成激光的发射和探测接收过程；第二激光器发出波长为λ₂的激光，透过第二半反半透光学组件，经过二维MEMS微镜的反射，照射在物体上；通过控制MEMS微镜的运动，完成波长为λ₁的激光的全场扫描；通过控制MEMS微镜的运动和第二激光器的光强，向物体表面投射预定的结构光光场；混合成像系统至少还包含一个计算机系统，用于完成数据的采集和处理；

(二)标定投射系统和相机之间的坐标变换关系；

(三)采集飞行时间法和结构光法的数据；

(四)使用飞行时间法重建低精度三维数据；

(五)使用低精度三维数据和结构光法重建近距离高精度三维数据；使用单帧相位提取方法，或者相移法获得高频包裹相位图；进而使用步骤(三)中的相机视角下的飞行时间深度数据，将包裹相位展开为绝对相位；最后，通过相位匹配得到精确的飞行时间深度图；

(六)对低精度三维数据和高精度三维数据进行融合；所述步骤(六)，对相机视角下的飞行时间深度数据和结构光深度数据进行融合；融合的原则是，近处使用高精度的结构光深度数据，远处使用飞行时间深度数据，近处缺失飞行时间深度数据或者远处缺失结构光深度数据时，使用另外一种数据填充。

2.如权利要求1所述的结构光三维成像方法，其特征在于：

所述的第一半反半透光学组件对波长λ₁是半反半透的；所述的第二半反半透光学组件对波长λ₁是反射的，对波长λ₂是透射的；所述MEMS微镜对波长λ₁和波长λ₂均有良好的反射特性；

所述波长λ₁和波长λ₂优选不同波段的激光；波长λ₁和波长λ₂可以相等，此时，通过选择合适的激光功率，以及合适灵敏度的光电探测器，以保证在光电探测器端检测到第一激光器的信号。

3.如权利要求1所述的结构光三维成像方法，其特征在于：所述结构光是基于相位编码的条纹投影结构光，或者结构光是基于伪随机点阵的条纹投影结构光、或者最小编码的条纹投影结构光、或者格雷码的条纹投影结构光、或者网格编码的条纹投影结构光。

4.如权利要求1所述的结构光三维成像方法，其特征在于：

所述步骤(二)，向标定平面投射不同方向的正余弦条纹图，使用相机拍摄包含相位信息的条纹图，求解相位，从而标定出投射系统和采集系统之间的内参和外参。

5.如权利要求1所述的结构光三维成像方法，其特征在于：所述步骤(三)中，使用光电探测器采集扫描像素点的飞行时间数据，使用相机曝光采集全场的结构光深度数据；

采集飞行时间深度数据，此处的采集帧速率要满足一下约束：

其中，c是光在空气中的速度，D是测量范围，H和V是深度图分辨率，f是最大采集帧速率，即扫描的帧速率；

当飞行时间探测器在逐点扫描时，同步调整激光器的亮度，完成结构光的投射和采集；采集的条纹投影结构光的帧速率也为f。