[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

说明书

本发明公开了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，包含以下步骤：搭建基于MEMS的飞行时间法和结构光混合成像系统；标定投射系统和相机之间的坐标变换关系；采集飞行时间法和结构光法的数据；使用飞行时间法重建低精度三维数据；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；对低精度和高精度三维数据进行融合。使用MEMS微镜配合激光器和数字相机，在同一套系统中同时完成飞行时间三维成像和结构光三维成像，并进行数据融合，充分发挥不同成像方法的优势。此外，本方法使用飞行时间法，来帮助结构光法进行相位解包裹，减少传统结构光的帧数，使得本方法中的结构光三维成像速度大大提升。

技术领域：

本发明涉及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，主要使用MEMS微镜配合激光器和数字相机，在同一套系统中同时完成飞行时间三维成像和结构光三维成像，并进行数据融合，充分发挥不同成像方法的优势。该发明属于三维测量领域。

背景技术：

飞行时间法(TOF)和结构光法三维成像是目前最为广泛使用的两种三维成像技术。飞行时间法，使用激光照射被测物，然后使用光电探测器直接或者间接测量光从发射到反射然后被光电探测器接收到的时间差，计算出测量点的深度。常用的飞行时间法有，i-TOF和d-TOF，典型的i-TOF通过对发射光的强度进行正余弦调制，然后通过测量光波的相位，间接测量飞行时间。d-TOF通过使用脉冲调制的激光照射物体，然后使用单光子雪崩二极管直接检测发射和接收信号的时间差，作为飞行时间，进一步计算出深度值。飞行时间法的优点是：不依赖三角成像(发射器和探测器之间不需要有距离偏置)，因而集成度高；其精度随测量距离的增大，衰减不明显，更适用于中远距离的成像。但是其缺点是，成像精度要远低于结构光法。结构光法，通过向被测物表面投射特定编码的图案，然后图像传感器从另外一个角度拍摄图像，进而解算出物体表面采样点的深度。结构光法的优势是，在近距离处其横向分辨率和深度方向的方向的深度远高于飞行时间法，缺点是在中远距离的精度大幅度降低。

通常近距离三维成像，结构光法具有明显的优势，中远距离则飞行时间法更加适用，如何将两种方法结合起来是以提高系统的适用性是一个重要的技术改进方法，传统方法多采用多传感器进行数据融合，这种使用分立子系统的方法具有诸多的缺点，其降低了系统的集成度，同时还使得成本和复杂度升高，大大限制了这类方法的使用场景。本方法的一个目标是在同一套系统中同时实现上述两种成像方法，并进行数据融合，提高系统的精度和工作范围；此外，本方法的另一个目的是，使用飞行时间法，来帮助结构光法进行相位解包裹，进一步提高结构光三维成像的速度。

发明内容：

本发明目的是提出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，在同一套系统中同时实现两种三维成像方法，并进行数据融合，提高系统的三维测量精度和范围。

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，包含以下步骤：

(一)搭建基于MEMS的飞行时间法和结构光法混合成像系统

(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

(六)对低精度和高精度三维数据进行融合