一種可攜式三維重建數據獲取系統的製作方法
2023-05-24 07:57:06 2
專利名稱：一種可攜式三維重建數據獲取系統的製作方法
一種可攜式三維重建數據獲取系統技術領域
本發明屬於圖像信息處理技術領域，尤其涉及一種可攜式三維重建數據獲取系統。
背景技術：
在申請號為「201010537914. 4」，名稱為「一種可攜式圖像全息三維重建系統」的中國發明專利申請文件中，公開了一種可攜式圖像全息三維重建系統，包括一控制軟體控制的三維測量裝置，所述三維測量裝置包括一光柵相干儀和一信息採集器，所述光柵相干儀由光源總線、光柵總成、第一伺服傳動總成和第一電動雲臺組成，所述信息採集器由成像系統、第二伺服傳動總成和第二電動雲臺組成，所述三維重建系統還包括一計算軟體，該計算軟體包括圖像處理模塊、矢量處理模塊、三維處理模塊和三維重建模塊，其中圖像處理模塊具有邊緣檢測、拐點檢測、圖像基本處理和圖像矢量化功能，矢量處理模塊具有矢量處理、 一次定標和二次定標功能，三維處理模塊具有三維基本編輯、曲線處理、點雲轉曲面、曲面處理、創建三維實體和三維統計功能，所述三維重建模塊具有H面投影、像平面投影、體視匹配、模型貼面和模型重建功能。該申請公開了完整的系統解決技術方案，但是由於硬體實現的方案相對比較繁雜，設備體積和成本較高，造成該三維重建系統，尤其是被動式的系統在成本上和可操作性不佳，不利於技術的推廣使用。發明內容
本發明的目的是提供一種可攜式三維重建數據獲取系統，針對申請號為 「201010537914. 4」，名稱為「一種可攜式圖像全息三維重建系統」的中國發明專利申請文件中公開的一種可攜式圖像全息三維重建系統的硬體組成提供一種改進的技術方案。
本發明的技術方案是，一種可攜式三維重建數據獲取系統，包括光柵幹涉源和圖像獲取儀，光柵幹涉源控制電路包括第一單片機，經光電隔離連到第一步進電機驅動模塊驅動第一步進電機完成對光柵幹涉源的後聚焦控制，經光電隔離連到第三步進電機驅動模塊驅動第三步進電機完成對光柵幹涉源的光柵片的旋轉控制，經光電隔離連到第四步進電機驅動模塊驅動第四步進電機完成對光柵幹涉源的光刀的開關控制，所述的光刀在所述的可攜式三維重建數據獲取系統用於在光柵幹涉源中起到對光線的遮蔽作用，
第一磁柵尺、第一光電傳感器、第一限位開關和第一接近開關經光電隔離連到第一單片機，第一磁柵尺用於測量光柵幹涉源的後聚焦位移量，第一光電傳感器、第一限位開關和第一接近開關用於對第一步進電機的走動行程起定位作用，第三接近開關用於對第三步進電機的走動行程起定位作用，第四接近開關用於對第四步進電機的走動行程起定位作用，
第一位移傳感器、第二位移傳感器、第一角度傳感器和第二角度傳感器經模數轉換模塊連到第一單片機，第一位移傳感器用於測量光柵幹涉源的前聚焦位移量，第二位移傳感器用於測量圖像獲取儀的機械臂伸長位移量，第一角度傳感器用於測量圖像獲取儀的機械臂的下旋角度，第二角度傳感器用於測量圖像獲取儀的機械臂的上旋角度，所述可攜式三維重建數據獲取系統通過第一角度傳感器和第二角度傳感器以及第二位移傳感器確定圖像獲取儀的空間位置，
第一單片機連接控制燈光控制模塊和造型燈控制模塊，第一單片機與通訊模塊相連；
圖像獲取儀控制電路包括第二單片機，經光電隔離連到第二步進電機驅動模塊驅動第二步進電機通過對數碼後背位移的調整完成對圖像獲取儀的後聚焦控制，
第二磁柵尺、第二光電傳感器、第二限位開關和第二接近開關經光電隔離連到第二單片機，第二磁柵尺用於測量圖像獲取儀的後聚焦位移量，第二光電傳感器、第二限位開關和第二接近開關用於對第二步進電機的走動行程起定位作用，
第二單片機連到數碼後背觸發控制模塊，第二單片機連到電快門控制模塊，控制圖像獲取儀的相機的快門和光圈，
圖像獲取儀的機械臂採用機械把手手動調整方式。
進一步的，第一步進電機、第二步進電機、第三步進電機和第四步進電機選用42 電機，步距角為1. 8度，運行在細分1/8狀態，以減少震動。
進一步的，所述的模數轉換模塊採用至少12位精度的抗幹擾電路，使得前聚焦和後聚焦的總和誤差在0. Imm以內。
進一步的，還包括一個上位機操作界面，用以輸入相應的參數。
進一步的，第一步進電機驅動模塊、第二步進電機驅動模塊、第三步進電機驅動模塊和第四步進電機驅動模塊的集成步進電機驅動晶片具有整步、半步、四分之一細分、八分之一細分可選，滿足不同情況下對速度、精度的要求，且具有正反轉可控。
本發明提供的三維重建設備中，幹涉源和圖像獲取儀的配合運動控制及其相應的電路系統，減少系統各部分線纜連接，優化硬體控制部分體積，使整個硬體控制系統的高精度，穩定，高效下運行。本發明針對三維重建的硬體系統提供了一種便攜化技術組成規範， 對於被動式三維重建系統，降低了現有硬體設備的技術研發和使用成本，為該種技術的普及推廣建立了基礎。
圖1是本發明系統中光柵幹涉源控制電路框圖
圖2是本發明系統中圖像獲取儀控制電路框圖具體實施方式
如圖1所示，光柵幹涉源控制電路包括第一單片機，經光電隔離連到第一步進電機驅動模塊驅動第一步進電機完成對光柵幹涉源的後聚焦控制，經光電隔離連到第三步進電機驅動模塊驅動第三步進電機完成對光柵幹涉源的光柵片的旋轉控制，經光電隔離連到第四步進電機驅動模塊驅動第四步進電機完成對光柵幹涉源的光刀的開關控制，所述的光刀在所述的可攜式三維重建數據獲取系統用於在光柵幹涉源中起到對光線的遮蔽作用，
第一磁柵尺、第一光電傳感器、第一限位開關和第一接近開關經光電隔離連到第一單片機，第一磁柵尺用於測量光柵幹涉源的後聚焦位移量，第一光電傳感器、第一限位開關和第一接近開關用於對第一步進電機的走動行程起定位作用，第三接近開關用於對第三步進電機的走動行程起定位作用，第四接近開關用於對第四步進電機的走動行程起定位作用，
第一位移傳感器、第二位移傳感器、第一角度傳感器和第二角度傳感器經模數轉換模塊連到第一單片機，第一位移傳感器用於測量光柵幹涉源的前聚焦位移量，第二位移傳感器用於測量圖像獲取儀的機械臂伸長位移量，第一角度傳感器用於測量圖像獲取儀的機械臂的下旋角度，第二角度傳感器用於測量圖像獲取儀的機械臂的上旋角度，所述可攜式三維重建數據獲取系統通過第一角度傳感器和第二角度傳感器以及第二位移傳感器確定圖像獲取儀的空間位置，
第一單片機連接控制燈光控制模塊和造型燈控制模塊，第一單片機與通訊模塊相連。
如圖2所示，圖像獲取儀控制電路包括第二單片機，經光電隔離連到第二步進電機驅動模塊驅動第二步進電機通過對數碼後背位移的調整完成對圖像獲取儀的後聚焦控制，
第二磁柵尺、第二光電傳感器、第二限位開關和第二接近開關經光電隔離連到第二單片機，第二磁柵尺用於測量圖像獲取儀的後聚焦位移量，第二光電傳感器、第二限位開關和第二接近開關用於對第二步進電機的走動行程起定位作用，
第二單片機連到數碼後背觸發控制模塊，第二單片機連到電快門控制模塊，控制圖像獲取儀的相機的快門和光圈，
圖像獲取儀的機械臂採用手動調整方式。
單片機控制系統在日常生活中非常常見，不過系統都是根據特定對象或者對象群體開發的，具有指向性。而市面上的電路模塊雖可拼接實現電路控制功能，但拼接後的總體硬體系統龐大繁瑣，比如步進電機驅動器，電快門控制器等等，不利於生產和機械裝配，與產品的可攜式特徵也不吻合。
實施中，整個硬體電路主要包括由電源控制箱，幹涉源控制板，圖像獲取儀控制板，步進電機，傳感器組成。另外配合傳輸線纜，接口插件等相關配件連接在一起。
電源控制箱主要由開關電源，固態繼電器及金滷燈配件(鎮流器，觸發器)組成。 主要功能是提供電路板所需的12V直流電源，幹涉源220V電源及金滷燈的啟動瞬間高電壓。
幹涉源控制板，圖像獲取儀控制板作為硬體控制系統的主要組成部分，工作好壞直接影響到控制系統的穩定性。
幹涉源控制板和圖像獲取儀控制板大體一致，只是某些功能有些不一樣，而電路板形狀相差較大。主要由5V電源，單片機晶片，光電隔離，AD轉換及步進電機驅動晶片組成。
步進電機作為整個硬體系統的動力來源，對其工作性能要求很高。
步進電機的主要參數分為兩部分，一部分是外形尺寸；另外一部分是性能參數，包括相數，步距角，運行距頻特性等。配合機械體積要求選用42電機，步距角為1. 8度，運行在細分1/8狀態，減少震動。
傳感器提供機械部分在運動過程中的一些參數，或者位置關係。其中包括光電傳5感器，接近開關，限位開關，位移傳感器，磁柵尺，角度傳感器。
光電傳感器，接近開關和限位開關都是給步進電機走動行程起定位作用的，因其各位置不同而選用不用類型。位移傳感器用於測量幹涉源前聚焦位移量和機械臂伸長位移量，磁柵尺用於測量幹涉源和圖像獲取儀的後聚焦位移量，因前聚焦和後聚焦對位移量的精度要求較高，選用了高精度的位移傳感器和磁柵尺，配合12位的AD轉換抗幹擾電路，使得前聚焦和後聚焦的總和誤差在0. Imm以內.角度傳感器用於測量機械臂的下旋角度和上旋角度，通過機械臂的上旋角度，伸長位移量和下旋角度以確定圖像獲取儀的空間位置。
另外取消了電快門的外圍驅動模塊，將其整合到圖像獲取儀裡的控制板上，直接由單片機控制，減少了原先用電腦通訊兼併供電的USB線纜，使電快門的控制簡單而直接， 也降低了電腦主板供電的壓力。
軟體部分分為兩部分，一部分是單片機控制程序，由C語言編寫；另外一部分是上位機操作界面，由VB語言編寫.通過VB操作界面控制相應的操作，.同時滿足不同情況下的拍攝流程.
相應的參數幹涉源的物距，圖像採集儀的物距，機械臂的上旋轉角度，下旋轉角度機械臂的長度.這些參數都是導入到三維重建算法內計算的必需參數.
主要實現的功能燈光和造型燈的打開與關閉，光刀的打開與關閉，光柵的旋轉與初始點定位(零位)，幹涉源的後聚焦走動與數據保存，幹涉源的前聚焦數據保存，圖像獲取儀的後聚焦走動與數據保存，電快門的光圈大小設置和曝光時間設置，定位流程控制。
整個控制系統是為設備系統的機械部分量身打造，高精度電位器，磁柵尺提供高精度數據，光電隔離模塊有效隔離單片機和負載的信號傳輸，增加了安全性，減少了電路幹擾，簡化了電路設計，集成步進電機驅動晶片於控制電路板，具有整步、半步、四分之一細分、八分之一細分可選，滿足不同情況下對速度、精度的要求，具有正反轉可控，另外還極大的減小了體積，成本也相應降低很多。
權利要求
1.一種可攜式三維重建數據獲取系統，包括光柵幹涉源和圖像獲取儀，其特徵在於 光柵幹涉源控制電路包括第一單片機，經光電隔離連到第一步進電機驅動模塊驅動第一步進電機完成對光柵幹涉源的後聚焦控制，經光電隔離連到第三步進電機驅動模塊驅動第三步進電機完成對光柵幹涉源的光柵片的旋轉控制，經光電隔離連到第四步進電機驅動模塊驅動第四步進電機完成對光柵幹涉源的光刀的開關控制，所述的光刀在所述的可攜式三維重建數據獲取系統用於在光柵幹涉源中起到對光線的遮蔽作用，第一磁柵尺、第一光電傳感器、第一限位開關和第一接近開關經光電隔離連到第一單片機，第一磁柵尺用於測量光柵幹涉源的後聚焦位移量，第一光電傳感器、第一限位開關和第一接近開關用於對第一步進電機的走動行程起定位作用，第三接近開關用於對第三步進電機的走動行程起定位作用，第四接近開關用於對第四步進電機的走動行程起定位作用，第一位移傳感器、第二位移傳感器、第一角度傳感器和第二角度傳感器經模數轉換模塊連到第一單片機，第一位移傳感器用於測量光柵幹涉源的前聚焦位移量，第二位移傳感器用於測量圖像獲取儀的機械臂伸長位移量，第一角度傳感器用於測量圖像獲取儀的機械臂的下旋角度，第二角度傳感器用於測量圖像獲取儀的機械臂的上旋角度，所述可攜式三維重建數據獲取系統通過第一角度傳感器和第二角度傳感器以及第二位移傳感器確定圖像獲取儀的空間位置，第一單片機連接控制燈光控制模塊和造型燈控制模塊，第一單片機與通訊模塊相連； 圖像獲取儀控制電路包括第二單片機，經光電隔離連到第二步進電機驅動模塊驅動第二步進電機通過對數碼後背位移的調整完成對圖像獲取儀的後聚焦控制，第二磁柵尺、第二光電傳感器、第二限位開關和第二接近開關經光電隔離連到第二單片機，第二磁柵尺用於測量圖像獲取儀的後聚焦位移量，第二光電傳感器、第二限位開關和第二接近開關用於對第二步進電機的走動行程起定位作用，第二單片機連到數碼後背觸發控制模塊，第二單片機連到電快門控制模塊，控制圖像獲取儀的相機的快門和光圈，圖像獲取儀的機械臂採用機械把手手動調整方式。
2.如權利要求1所述的可攜式三維重建數據獲取系統，其特徵在於，第一步進電機、第二步進電機、第三步進電機和第四步進電機選用42電機，步距角為1.8度，運行在細分1/8 狀態，以減少震動。
3.如權利要求1所述的可攜式三維重建數據獲取系統，其特徵在於，所述的模數轉換模塊採用至少12位精度的抗幹擾電路，使得前聚焦和後聚焦的總和誤差在0. Imm以內。
4.如權利要求1所述的可攜式三維重建數據獲取系統，其特徵在於，還包括一個上位機操作界面，用以輸入相應的參數。
5.如權利要求1所述的可攜式三維重建數據獲取系統，其特徵在於，第一步進電機驅動模塊、第二步進電機驅動模塊、第三步進電機驅動模塊和第四步進電機驅動模塊的集成步進電機驅動晶片具有整步、半步、四分之一細分、八分之一細分可選，滿足不同情況下對速度、精度的要求，且具有正反轉可控。
全文摘要
本發明公開一種可攜式三維重建數據獲取系統，包括光柵幹涉源和圖像獲取儀，光柵幹涉源控制電路包括第一單片機，經光電隔離連到第一步進電機驅動模塊驅動第一步進電機完成對光柵幹涉源的後聚焦控制，經光電隔離連到第三步進電機驅動模塊驅動第三步進電機完成對光柵幹涉源的光柵片的旋轉控制，經光電隔離連到第四步進電機驅動模塊驅動第四步進電機完成對光柵幹涉源的光刀的開關控制，所述的光刀在所述的可攜式三維重建數據獲取系統用於在光柵幹涉源中起到對光線的遮蔽作用，第一磁柵尺經光電隔離連到第一單片機。第一磁柵尺用於測量光柵幹涉源的後聚焦位移量。本發明對於被動式三維圖像數據重建系統提供了可便攜化的硬體實現技術方案。
文檔編號G01B11/03GK102506726SQ20111035274
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月9日 優先權日2011年11月9日
發明者梁震華 申請人:浙江華震數位化工程有限公司