CN110081836A - 便携式工具痕迹三维形貌重构装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式工具痕迹三维形貌重构装置，它包括壳体及分别安装至壳体的可变光栅模块、成像模块和综合处理模块，所述综合处理模块具有与所述成像模块信号连接的综合处理电路；其中，所述可变光栅模块适于在被测物表面投影正弦条纹；所述成像模块适于获取被测物表面的正弦条纹，及将正弦条纹的图像数据传输至综合处理电路；所述综合处理电路适于根据图像数据计算被测物表面当前被测位置的形貌三维信息。本发明可以便捷地获取工具痕迹三维信息，精度高，获取速度快。

Description

便携式工具痕迹三维形貌重构装置

技术领域

本发明涉及一种便携式工具痕迹三维形貌重构装置，涉及三维形貌测量领域。

背景技术

刑事痕迹的三维信息获取对于刑事案件的侦破和举证有着非常重要的意义，我国因为对枪支管理非常严格，绝大多数刑事案件中罪犯都是通过工具进行作案，因此工具痕迹信息的三维获取具有重要的应用价值。

为避免破坏工具痕迹信息，应采用非接触式技术取代接触式技术进行信息采集。非接触式三维测量技术一般通过利用磁学、光学、声学等学科中的物理量测量物体表面点坐标位置。核磁共振法、工业计算机断层扫描法、超声波数字化法等非光学的非接触式三维测量方法也都可以测量物体的内部及外部结构的表面信息，且不需要破坏被测物体，但是这种测量方法的精度不高。而光学三维轮廓测量由于其非接触性、高精度与高分辨率,在CAD/CAE、反求工程、在线检测与质量保证、多媒体技术、医疗诊断、机器视觉等领域得到日益广泛的应用，被公认是最有前途的三维轮廓测量方法。光学三维测量技术总体而言可以分为主动式光学三维测量和被动式光学三维测量，根据具体的原理又可以分为双目立体视觉测量法、离焦测量法、飞行时间法、激光三角法和结构光编码法等。这其中基于结构光的三维形貌测量方法具有测量准确、测量速度快等优点。

基于面结构光投影法是在目标物体的表面一次性瞬间投影并获取目标物体表面形状的三维空间坐标，同时相对于线结构光投影法来说，其优点是准确和快捷以及高数据空间分辨率等，所以，其是结构光投影法以后发展的必然趋势。在面结构光投影法测量系统中，可以投射多种模式的结构光，如水平光栅条纹、垂直光栅条纹、符号条纹等。其中，光栅投射三维面形测量技术属于三角法这一范畴，通过一次测量就可以获得所投射的表面的所有三维数据，而且测量速度快。此原理主要是采取投射几何关系完成对物体表面条纹和参考平面条纹之间的相位差及其相对高度的关系的建立，这就能够得到被测物体表面和参考平面之间的高度差。

但是目前结构光三维形貌采集技术在应用中存在两个问题：一是精度与视场之间存在矛盾，即大视场精度低，精度高视场则小；二是目前测量仪器需要固定，不能手持使用，这极大的影响了工具痕迹获取的效率，限制了结构光三维形貌采集技术的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种便携式工具痕迹三维形貌重构装置，它可以便捷地获取工具痕迹三维信息，精度高，获取速度快。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种便携式工具痕迹三维形貌重构装置，它包括壳体及分别安装至壳体的可变光栅模块、成像模块和综合处理模块，所述综合处理模块具有与所述成像模块信号连接的综合处理电路；其中，

所述可变光栅模块适于在被测物表面投影正弦条纹；

所述成像模块适于获取被测物表面的正弦条纹，及将正弦条纹的图像数据传输至综合处理电路；

所述综合处理电路适于根据图像数据计算被测物表面当前被测位置的形貌三维信息。

进一步提供了一种可变光栅模块的具体结构，所述可变光栅模块包括投影光源、正弦光栅和相位调节机构，所述正弦光栅位于投影光源和被测物之间，以便投影光源发出的光照射到所述正弦光栅上，进而在被测物表面形成正弦条纹，所述相位调节机构连接在壳体和正弦光栅之间，以便通过相位调节机构调节正弦光栅的相位。

进一步提供了一种相位调节机构的具体结构，所述相位调节机构包括丝杆螺母副和电机，所述丝杆螺母副安装在壳体上，所述正弦光栅滑配在壳体上，所述正弦光栅还与丝杆螺母副的螺母固定连接，所述电机与所述丝杆螺母副的丝杆相连接，以便通过电机驱动丝杆旋转，进而使得正弦光栅直线移动一定的栅距以调节正弦光栅的相位。

进一步，所述成像模块包括采用拼接式多像元线阵光电传感器摆扫成像的线阵成像组件。

进一步为了方便操作人员观测被测物表面图像，进而方便操作人员操控便携式工具痕迹三维形貌重构装置，所述综合处理模块还包括摄像组件和显示屏，所述摄像组件和显示屏分别与综合处理电路相连，所述摄像组件适于获取被测物表面的表面图像并传输至综合处理电路，所述综合处理电路还适于控制所述显示屏显示表面图像。

进一步为了方便使用者在手持工作过程中能够精确掌握合适的工作距离，从而实现对工具痕迹三维信息便捷、快速、准确地获取，所述综合处理模块还包括激光测距组件，所述激光测距组件与所述综合处理电路信号连接，所述激光测距组件适于测量被测物表面当前被测位置与其之间的距离并发送至综合处理电路，所述综合处理电路还适于判断其接收的距离是否在其预设的规定测量范围内，并控制显示屏显示距离。

进一步为了方便计算机与综合处理电路的连接，进而方便计算机实现数据下载、信息交互及向综合处理电路供电，所述综合处理模块还包括与所述综合处理电路相连的综合接口。

进一步为了方便使用者手持便携式工具痕迹三维形貌重构装置，所述壳体的两端分别安装有把手。

进一步为了方便控制电机转动以调节正弦光栅的相位，所述相位调节机构还包括与所述电机相连并用于控制电机转动的相位按钮，所述相位按钮安装在壳体上。

进一步为了避免激光测距对结构光、形貌采集造成干扰，激光测距组件的测距光为波长632.8nm的激光，可变光栅模块的投影光源为波长450nm的蓝光，成像模块内设置有透过波长在420nm-480nm区间的窄带滤光片。

采用了上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：

1、可变光栅模块在被测物表面投影正弦条纹，成像模块获取被测物表面的正弦条纹并将正弦条纹的图像数据传输至综合处理电路；所述综合处理电路根据图像数据计算被测物表面当前被测位置的形貌三维信息，则可完成工具痕迹三维形貌重构，本发明的便携式工具痕迹三维形貌重构装置集成度高，使用起来很是方便，且精度高，获取速度快；

2、综合处理模块的摄像组件可以获取被测物的表面图像，并将其显示在显示屏上；综合接口可以与计算机连接，用于传输三围形貌信息；为方便手持工作，在壳体的的两端分别安装有把手；使用者也可以通过可变光栅模块上的相位按钮，控制可变光栅模块上的电机，进而控制正弦光栅的相位；综合处理模块还包括激光测距组件，使用者可通过激光测距功能有效的获取与被测物表面之间的距离，从而使三维测量过程中不需要保持本装置与被测物的距离不变，从而简单便捷地获取被测物的三维形貌信息；

3、本发明的线阵成像组件通过拼接式多像元线阵光电传感器摆扫成像，在保证x、y、z三个方向精度和信息采集速率的同时，增大单次重构的范围；为避免使用者抖动而引起的测量偏差，同时减少误差，使用的光电传感器灵敏度高，所需曝光时间极短，因此成像频率可远高于人员抖动频率，从而实现防抖；

4、为避免激光测距对结构光、形貌采集造成干扰，选用测距光为波长632.8nm的激光，投影光源为波长450nm的蓝光，成像模块内加入透过波长在420nm-480nm区间的窄带滤光片。

附图说明

图1为本发明的便携式工具痕迹三维形貌重构装置的结构示意图；

图2为本发明的便携式工具痕迹三维形貌重构装置的原理框图；

图3为本发明的基于正弦光栅三维形貌测量的原理图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

如图1～3所示，一种便携式工具痕迹三维形貌重构装置，它包括壳体1及分别安装至壳体1的可变光栅模块、成像模块2和综合处理模块，所述综合处理模块具有与所述成像模块2信号连接的综合处理电路3；其中，

所述可变光栅模块适于在被测物10表面投影正弦条纹；

所述成像模块2适于获取被测物10表面的正弦条纹，及将正弦条纹的图像数据传输至综合处理电路3；

所述综合处理电路3适于根据图像数据计算被测物10表面当前被测位置的形貌三维信息。

在本实施例中，所述成像模块2包括采用拼接式多像元线阵光电传感器摆扫成像的线阵成像组件，所述线阵成像组件采用vieworks vt-18k3.5x-H80，线阵成像组件所采用的光电传感器为长春长光辰芯光电技术有限公司的G2020S型光电传感器，所述线阵成像组件在保证x、y、z三个方向精度和信息采集速率的同时，增大单次重构的范围；为避免使用者抖动而引起的测量偏差，同时减少误差，使用的光电传感器灵敏度高，所需曝光时间极短，因此成像频率可远高于人员抖动频率，从而实现防抖。

所述线阵成像组件具有用于调节其参数的调节按钮21，所述调节按钮21安装在壳体1的靠近手持的位置。

如图3所示，所述可变光栅模块包括投影光源41、正弦光栅42和相位调节机构，所述正弦光栅42位于投影光源41和被测物10之间，以便投影光源41发出的光照射到所述正弦光栅42上，进而在被测物10表面形成正弦条纹，所述相位调节机构连接在壳体1和正弦光栅42之间，以便通过相位调节机构调节正弦光栅42的相位。在本实施例中，所述相位调节机构包括丝杆螺母副和电机，所述丝杆螺母副安装在壳体1上，所述正弦光栅42滑配在壳体1上，所述正弦光栅42还与丝杆螺母副的螺母固定连接，所述电机与所述丝杆螺母副的丝杆相连接，以便通过电机驱动丝杆旋转，进而使得正弦光栅42直线移动一定的栅距以调节正弦光栅42的相位。

如图1、2所示，为了方便操作人员观测被测物10表面图像，进而方便操作人员操控便携式工具痕迹三维形貌重构装置，所述综合处理模块还包括摄像组件5和显示屏6，所述摄像组件5和显示屏6分别与综合处理电路3相连，所述摄像组件5适于获取被测物10表面的表面图像并传输至综合处理电路3，所述综合处理电路3还适于控制所述显示屏6显示表面图像。

如图1、2所示，为了方便使用者在手持工作过程中能够精确掌握合适的工作距离，从而实现对工具痕迹三维信息便捷、快速、准确地获取，所述综合处理模块还包括激光测距组件7，所述激光测距组件7与所述综合处理电路3信号连接，所述激光测距组件7适于测量被测物10表面当前被测位置与其之间的距离并发送至综合处理电路3，所述综合处理电路3还适于判断其接收的距离是否在其预设的规定测量范围内，并控制显示屏6显示距离。在本实施例中，为了避免激光测距对结构光、形貌采集造成干扰，激光测距组件7的测距光为波长632.8nm的激光，可变光栅模块的投影光源41为波长450nm的蓝光，成像模块2内设置有透过波长在420nm-480nm区间的窄带滤光片。

如图2所示，为了方便计算机与综合处理电路3的连接，进而方便计算机实现数据下载、信息交互及向综合处理电路3供电，所述综合处理模块还包括与所述综合处理电路3相连的综合接口8。

如图1所示，为了方便使用者手持便携式工具痕迹三维形貌重构装置，所述壳体1的两端分别安装有把手9。

如图1所示，为了方便控制电机转动以调节正弦光栅42的相位，所述相位调节机构还包括与所述电机相连并用于控制电机转动的相位按钮43，所述相位按钮43安装在壳体1上。在本实施例中，所述相位按钮43安装在壳体1的靠近手持的位置。

基于正弦光栅42三维形貌测量的原理如下：

所述投影光源41照射所述正弦光栅42，以发散或者准直的方式投射到被测物10表面之上。因为被测物10表面高低不平，因此在所述成像模块2处观察正弦条纹，就可以得到变形了的光栅像，如式(1)所示。

式(1)中,a(x,y)代表正弦条纹的背景；b(x,y)为物体表面反射率的变化；f₀是投影到被测物10表面的正弦条纹的空间频率；相位则对应着被测物10表面各点的高度h(x,y)。可以看出,I(x,y)同时记录了被测物10的几何形状信息和纹理信息a(x，y)。通过对的处理就可以得到被测物10表面当前被测位置的形貌三维信息。

本发明的工作原理如下：

可变光栅模块在被测物10表面投影正弦条纹，成像模块2获取被测物10表面的正弦条纹并将正弦条纹的图像数据传输至综合处理电路3；所述综合处理电路3根据图像数据计算被测物10表面当前被测位置的形貌三维信息，则可完成工具痕迹三维形貌重构，本发明的便携式工具痕迹三维形貌重构装置集成度高，使用起来很是方便，且精度高，获取速度快；综合处理模块的摄像组件5可以获取被测物10的表面图像，并将其显示在显示屏6上；综合接口8可以与计算机连接，用于传输三围形貌信息；为方便手持工作，在壳体1的的两端分别安装有把手9；使用者也可以通过可变光栅模块上的相位按钮43，控制可变光栅模块上的电机，进而控制正弦光栅42的相位；综合处理模块还包括激光测距组件7，使用者可通过激光测距功能有效的获取与被测物10表面之间的距离，从而使三维测量过程中不需要保持本装置与被测物10的距离不变，从而简单便捷地获取被测物10的三维形貌信息；本发明的线阵成像组件通过拼接式多像元线阵光电传感器摆扫成像，在保证x、y、z三个方向精度和信息采集速率的同时，增大单次重构的范围；为避免使用者抖动而引起的测量偏差，同时减少误差，使用的光电传感器灵敏度高，所需曝光时间极短，因此成像频率可远高于人员抖动频率，从而实现防抖；本发明通过可变光栅模块将正弦条纹投射到被测物10表面，提高三维重构精度；为避免激光测距对结构光、形貌采集造成干扰，选用测距光为波长632.8nm的激光，投影光源41为波长450nm的蓝光，成像模块2内加入透过波长在420nm-480nm区间的窄带滤光片。

以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种便携式工具痕迹三维形貌重构装置，其特征在于：它包括壳体（1）及分别安装至壳体（1）的可变光栅模块、成像模块（2）和综合处理模块，所述综合处理模块具有与所述成像模块（2）信号连接的综合处理电路（3）；其中，

所述可变光栅模块适于在被测物（10）表面投影正弦条纹；

所述成像模块（2）适于获取被测物（10）表面的正弦条纹，及将正弦条纹的图像数据传输至综合处理电路（3）；

所述综合处理电路（3）适于根据图像数据计算被测物（10）表面当前被测位置的形貌三维信息。

2.根据权利要求1所述的便携式工具痕迹三维形貌重构装置，其特征在于：所述可变光栅模块包括投影光源（41）、正弦光栅（42）和相位调节机构，所述正弦光栅（42）位于投影光源（41）和被测物（10）之间，以便投影光源（41）发出的光照射到所述正弦光栅（42）上，进而在被测物（10）表面形成正弦条纹，所述相位调节机构连接在壳体（1）和正弦光栅（42）之间，以便通过相位调节机构调节正弦光栅（42）的相位。

3.根据权利要求2所述的便携式工具痕迹三维形貌重构装置，其特征在于：所述相位调节机构包括丝杆螺母副和电机，所述丝杆螺母副安装在壳体（1）上，所述正弦光栅（42）滑配在壳体（1）上，所述正弦光栅（42）还与丝杆螺母副的螺母固定连接，所述电机与所述丝杆螺母副的丝杆相连接，以便通过电机驱动丝杆旋转，进而使得正弦光栅（42）直线移动一定的栅距以调节正弦光栅（42）的相位。

4.根据权利要求1所述的便携式工具痕迹三维形貌重构装置，其特征在于：所述成像模块（2）包括采用拼接式多像元线阵光电传感器摆扫成像的线阵成像组件。

5.根据权利要求1所述的便携式工具痕迹三维形貌重构装置，其特征在于：所述综合处理模块还包括摄像组件（5）和显示屏（6），所述摄像组件（5）和显示屏（6）分别与综合处理电路（3）相连，所述摄像组件（5）适于获取被测物（10）表面的表面图像并传输至综合处理电路（3），所述综合处理电路（3）还适于控制所述显示屏（6）显示表面图像。

6.根据权利要求5所述的便携式工具痕迹三维形貌重构装置，其特征在于：所述综合处理模块还包括激光测距组件（7），所述激光测距组件（7）与所述综合处理电路（3）信号连接，所述激光测距组件（7）适于测量被测物（10）表面当前被测位置与其之间的距离并发送至综合处理电路（3），所述综合处理电路（3）还适于判断其接收的距离是否在其预设的规定测量范围内，并控制显示屏（6）显示距离。

7.根据权利要求6所述的便携式工具痕迹三维形貌重构装置，其特征在于：所述综合处理模块还包括与所述综合处理电路（3）相连的综合接口（8）。

8.根据权利要求1所述的便携式工具痕迹三维形貌重构装置，其特征在于：所述壳体（1）的两端分别安装有把手（9）。

9.根据权利要求2所述的便携式工具痕迹三维形貌重构装置，其特征在于：所述相位调节机构还包括与所述电机相连并用于控制电机转动的相位按钮（43），所述相位按钮（43）安装在壳体（1）上。

10.根据权利要求6所述的便携式工具痕迹三维形貌重构装置，其特征在于：激光测距组件（7）的测距光为波长632.8nm的激光，可变光栅模块的投影光源（41）为波长450nm的蓝光，成像模块（2）内设置有透过波长在420nm-480nm区间的窄带滤光片。