采用基于TI DLP?技術的結構光實現(xiàn)高精度3D掃描

　　專業(yè)級3D手持掃描儀

　　專業(yè)級3D手持掃描儀是為專業(yè)人士和業(yè)余愛好者提供的以3D數(shù)據(jù)格式采集實物完整細節(jié)特征的便攜式工具(圖7)。

　　所采集的數(shù)據(jù)可以用于產(chǎn)品設計、零件工程、3D內(nèi)容創(chuàng)建或作為3D打印機的輸入信息。例如，在線零售商可以通過對其產(chǎn)品進行3D掃描，以真實、高質量的3D模型(而非2D圖片)在線呈現(xiàn)產(chǎn)品。游戲玩家可以對自己進行3D掃描并在游戲中創(chuàng)建自己的角色。

　　圖 7.臺式專業(yè)級3D掃描儀

　　3D生物識別和身份驗證

　　3D掃描在生物識別和身份驗證的應用方面不斷發(fā)展，通常用于安全鎖定或解鎖設備、安檢和金融交易。利用光學3D掃描技術來采集面部、指紋或虹膜特征是一種更安全可靠的生物識別方法，并會給黑客攻擊和其他攻擊帶來更大的難度(圖8)。

　　圖 8.基于3D掃描的指紋繪制

　　集成DLP技術的系統(tǒng)設計優(yōu)勢

　　無論是檢查PCB質量還是制作精確的牙科配件，基于DLP技術的結構光3D掃描設備都具備許多顯而易見的系統(tǒng)優(yōu)勢。DMD微鏡具有微秒級的快速切換性能以及每秒超過1000個圖案的8位相移速率，從而能夠達到高速數(shù)據(jù)采集率，以實現(xiàn)對在線測量非常有用的實時3D掃描。高速DLP芯片還具有編程靈活性，在運行中也可以動態(tài)地對圖案進行選擇和重新排序。這有助于確保將最佳圖像應用于特定對象位置或特定視野內(nèi)，同時也有助于提取用于分析的最準確的3D信息。可以控制圖像的持續(xù)時間和亮度，確保物體反射的最佳光量，并使相機的動態(tài)范圍最大化。

　　DLP技術可與各種光源結合使用，并兼容紫外(UV)，可見光和近紅外(NIR)波長(圖9)。這為基于目標物體的反射率來定制3D掃描系統(tǒng)提供了額外的通用性。DLP芯片可以與多種光源和相機相結合的靈活性使得可以輕松創(chuàng)建一個設備來測量多個物體。在設計下一代3D掃描設備時，汽車、工業(yè)和醫(yī)療公司尋求DLP芯片是有意義的。在使用DLP技術設計解決方案時，系統(tǒng)集成商能夠通過靈活的圖像控制和新的結構光算法進行創(chuàng)新。

　　圖 9.光譜

　　他們還可以優(yōu)化光學架構，以匹配檢查掃描的關鍵分辨率和照明要求。令人振奮的是，開發(fā)者可以利用先進的可編程性將3D掃描提升到新的水平，從而優(yōu)化在光譜域、空間域和時間域中的性能。

　　DLP產(chǎn)品組合的考慮因素

　　TI先進光控制產(chǎn)品組合提供超越傳統(tǒng)顯示器的DMD和配套控制器成像功能。更值得一提的是，DMD芯片支持的波長范圍在363 nm至2500 nm之間，二進制圖形速率高達32 kHz，并且可提供更精確的像素精度控制。以下是具有先進光控制的DLP芯片組如何優(yōu)化結構光系統(tǒng)的說明。

　　DMD特性

• 　　 分辨率 — 在撰寫這本刊物時，DMD的分辨率范圍就達到了0.2至410萬像素(MP)。在需要較大掃描區(qū)域或者光照強度較強的環(huán)境中時，傾向于使用較大的1-MP,2-MP或4-MP DMD。例如，汽車3D檢測在組裝和對準處理步驟時需要在明亮的工廠地板上的進行大區(qū)域掃描。小于1-MP的DMD傾向于放置在比較便攜和低功耗的小型手持或臺式設備中。

• 　　 電源 — 最小的芯片組功耗低于200mW，非常適合便攜式或電池供電系統(tǒng)。例如，口腔內(nèi)掃描儀就是充分利用小型DMD的外形因素以及它具有適用于電池供電的低功耗特性的優(yōu)勢。

• 　　 波長— 用戶可以根據(jù)物體的反射特性在基于DLP技術的系統(tǒng)中調整顏色和照明強度。因為DMD可以與各種光源組合，包括燈，發(fā)光二極管(LED)和激光器。DMD針對紫外(363-420nm)，可見光(400-700nm)和近紅外(700-2,500nm)進行了優(yōu)化。對于生物識別3D掃描解決方案，近紅外波長因其不具有侵入性的特征而廣受青睞。紫外線有時是優(yōu)化金屬反射特性的最佳選擇。LED光學激光器是針對白光圖像的節(jié)能單色解決方案。

　　控制器特性

　　l 預存模式— DLP控制器為可靠、高速的DMD控制提供了方便的接口。它們支持預存儲的結構光圖像，而無需外部視頻處理器來傳輸圖像。

　　圖 10.1D圖像示例

　　一些DLP控制器可以使用一維(1D)編碼預先存儲1000多個結構光行列圖像(如，參見圖10)。1D圖像的特點是其信息可由單行或單列信息來表述。專業(yè)級3D手持掃描儀產(chǎn)品通常使用1D圖像來降低成本并提高掃描速度。更先進的控制器支持多達400個預存儲的2D全幀模式(例如，參見圖11)，根據(jù)應用程序的需要或被掃描的對象，可以更適應于X和Y。

　　圖 11.2D圖像示例

　　l 圖像精度和速度— DLP控制器設計用于顯示適合機器視覺或數(shù)字曝光的圖案，并支持可變高速圖案顯示速率，每秒高達32000個圖案，且具有相機同步功能。這些圖像速率對于高精度和高速3D掃描系統(tǒng)是至關重要的。

　　從簡單到復雜的系統(tǒng)，DLP技術在設計定制的結構光系統(tǒng)硬件和算法時為客戶提供了令人難以置信的圖像靈活性。

　　用于3D掃描的DLP產(chǎn)品

　　TI提供了一系列的DLP芯片組，以適應不同的3D掃描要求，如下表1所示。有關DLP芯片的最新和完整列表，請參閱TI DLP技術。

　　表1.可以顯示有用的3D掃描規(guī)范的DLP芯片組組合

　　概要

　　使用結構光的3D掃描是用于需要3D光學測量技術的擴展市場和用例的理想技術。TI提供多樣化的DLP芯片組合，可在個人電子產(chǎn)品中使用的小型、集成掃描引擎，以及工業(yè)檢測系統(tǒng)中使用的大型高分辨率圖案發(fā)生器。

　　DLP技術是3D掃描和機器視覺解決方案選擇的主要技術，因為它具有極高的多功能性，能夠以極高的速度定制圖案，并能夠與多個光源和波長配對。這種多功能性還可以推動客戶創(chuàng)新，并將3D掃描系統(tǒng)功能推向新的高度。

　　相關網(wǎng)站

• 　　 了解更多關于DLP技術的信息。

• 　　 利用評估模塊(EVM)來評估DLP技術在3D掃描中的應用：

　　o DLP LightCrafter 4500 評估模塊

　　o DLP LightCrafter 6500 評估模塊

　　o DLP LightCrafter 9000 評估模塊

　　o DLP Discovery 4100 開發(fā)套件

• 　　 從TI Designs參考設計庫下載這些參考設計，并且可以通過使用DLP技術原理圖、布局文件、材料清單和測試報告加快產(chǎn)品開發(fā)的速度：

　　o DLP4500：面向 3D 機器視覺應用并采用 DLP 技術的精確點云生成

　　o DLP6500：采用DLP技術的工廠自動化用高分辨率3D掃描儀

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• 　　 請訪問 德州儀器中文技術支持社區(qū)的DLP產(chǎn)品和MEMS論壇，尋找解決方案，獲得幫助，并與同行工程師和TI專家分享知識和解決難題。