[发明专利]一种基于FPGA的实时三维重建系统及其方法

权利要求书

1.一种基于FPGA的实时三维重建系统，其特征包括：采集模块、投影模块、数据处理模块和显示模块；

所述投影模块将12幅正弦条纹图依次投影到被测物体上，每投影一幅正弦条纹图时，触发所述采集模块下实时采集被测物体在当前投影周期下的灰度图像，从而得到12幅灰度图像并作为一组图像数据后传递给所述数据处理模块；

所述数据处理模块包括：数据缓存单元、相位打包裹单元、非线性误差校正单元、相位解包裹单元、求取信噪比单元、三维重建单元；

所述数据缓存单元在系统时钟周期的控制下，通过千兆网接收并缓存所述采集模块发送的图像数据；

所述相位打包裹单元从所述数据缓存单元中依次读取3幅灰度图像并进行相位打包裹运算，得到1幅包裹相位图，从而根据12幅灰度图像得到4幅包裹相位图并传递给所述非线性误差校正单元；

所述非线性误差校正单元对第3幅包裹相位图和第4幅包裹相位图包裹相位图进行处理，得到去除非线性误差的包裹相位图，并输入到所述相位解包裹单元；

所述相位解包裹单元对第1幅包裹相位图、第2幅包裹相位图以及所述去除非线性误差的包裹相位图分别进行相位解包裹运算，得到1幅相位展开图，并传递到所述三维重建单元；

所述求取信噪比单元对所述一组图像数据进行处理，得到每幅灰度图像中每个像素点的调制度，并传递到所述三维重建单元；

所述三维重建单元对所述每个像素点的调制度和所述相位展开图进行处理，得到去除噪声点的被测物体的三维点云数据，并作为所述被测物体在当前投影周期下的重构结果。

2.根据权利要求1所述的实时三维重建系统，其特征是，所述相位打包裹单元是按如下过程得到包裹相位图：

步骤I、利用式(1)得到3幅灰度图像的比值A：

式(1)中，I₀、I₁、I₂分别表示3幅灰度图像；

步骤II、利用CORDIC算法对所述比值A进行arctan函数求解，从而得到1幅包裹相位图。

3.根据权利要求书1所述的实时三维重建系统，其特征是，所述非线性误差校正单元是利用式(2)获得去除非线性误差的包裹相位图

式(2)中，分别表示第3幅包裹相位图和第4幅包裹相位图包裹相位图。

4.根据权利要求3所述的实时三维重建系统，其特征是，所述相位解包裹单元是按如下过程得到相位展开图：

步骤A、利用式(3)得到第2幅包裹相位图的条纹级数k₁：

式(3)中，表示第1幅包裹相位图；round表示四舍五入的求整运算；

步骤B、利用式(4)得到第2幅包裹相位图的相位展开图Φ₂：

步骤C、利用式(5)得到去除非线性误差的包裹相位图的条纹级数k₂：

步骤D、利用式(6)得到去除非线性误差的包裹相位图的相位展开图Φ₃；

5.根据权利要求4所述的实时三维重建系统，，其特征是，所述三维重建单元是按如下过程得到三维点云数据：

步骤a、根据所述相位展开图Φ₃拟合得到相位-高度映射系数；

步骤b、根据所述相位-高度映射系数求得被测物体的三维点云数据；

步骤c、根据每个像素的调制度得到去除噪声点的三维点云数据。

6.一种基于FPGA的实时三维重建方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、利用投影仪在一个投影周期将12幅正弦条纹图依次投影到被测物体上，每投影一幅正弦条纹图时，利用相机实时采集被测物体在当前投影周期下的灰度图像，从而得到12幅灰度图像并作为一组图像数据；

步骤2、利用式(1)得到3幅灰度图像的比值A：

式(1)中，I₀、I₁、I₂分别表示3幅灰度图像；

步骤3、利用CORDIC算法对所述比值A进行arctan函数求解，从而得到1幅包裹相位图，从而得到当前投影周期产生四幅包裹相位图分别为

步骤4、利用式(2)获得去除非线性误差的包裹相位图

式(2)中，分别表示第3幅包裹相位图和第4幅包裹相位图包裹相位图；

步骤5、利用式(3)得到第2幅包裹相位图的条纹级数k₁：

步骤6、利用式(4)得到第2幅包裹相位图的相位展开图Φ₂：

步骤7、利用式(5)得到去除非线性误差的包裹相位图的条纹级数k₂：

步骤8、利用式(6)得到去除非线性误差的包裹相位图的相位展开图Φ₃；

步骤9、根据所述相位展开图Φ₃拟合得到相位-高度映射系数；

步骤10、根据所述相位-高度映射系数求得被测物体的三维点云数据；

步骤11、对12幅灰度图像进行处理，得到每幅灰度图像中每个像素点的调制度；

步骤12、根据每个像素的调制度得到去除噪声点的三维点云数据。