TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.5, May 2014, pp . 3603 ~ 36 0 8   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i5.4920          3603     Re cei v ed O c t ober 2 5 , 201 3; Revi se d Decem b e r  17, 2013; Accept ed Ja nua ry 6,  2014   Design of a Grating Ge nerator for Thre e -dimensional  Scanner       He Xingzh e n g       Chin a Acad e m y  of Safet y  S c ienc e an d T e chno log y , Be iji n g  100 01 2, Chin a  e -ma i l :  hy ge hy@ 1 26 .co m       A b st r a ct   In the thr ee-d i mensi o n a l sc ann ers (3 D s c ann ers)  b a se d o n  structure d -lig ht tech nol ogy, t h e   commercia l vid eo pro j ector w a s alw a ys borr o w ed to act as  the electron ic gratin g  ge nerat or, w h ich is a key   hardw are to th e dev ice. But there w e re s o me  defects  ex i s ted. F o r exa m p l e, the s i z e  w a s too larg e  for  setting  in t h e  case  of th e  devic e, a nd  it cou l d  not   be  contro lle d  by  a s i ng le  chi p   micro p roc e s s or   conve n ie ntly,  etc. T o  solv e t hese  pro b l e ms, a n e w   gratin g g ener ator w a s d e sig n e d .  T he gr atings   w e re  nu mb ered  a n d  enc ode d i n  c o mp uter i n struct ions,  and   th en   a  com p l e x p r og ramm ab l e  l ogi c d e v i c e  (C PLD )   chip w a s use d  to control a  liqu i d  crystal  on  silic on  (L C O S) video ch i p , to w r ite its data ports di rectly   corresp ond in g to the instructi ons. It has small si z e , si mp le  interfaces, pro m pt res pons e, clear i n structio ns,   and it w o rked  w e ll.     Ke y w ords : gra t ing ge ner ator, 3D scan ner, struct ured- lig ht, electron ic gratin g, CPLD       Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Thre e-di men s ion a l (3D)  scan ning te ch nology b e lon g s to  comput er visi on fiel d .  The 3 D   coo r din a tes o f  the surfa c e s  of an obje c t can b e   non -contact me asu r ed by this te chn o logy ra pi dly  and  accu rate ly. In the re cent ye ars, t h ree - dim e n s i onal scan ners (3 D scann ers) have be en  applie d am on g a  wide fiel d [1-3]. Th ey play mo re  a nd mo re im p o rtant  role s i n  e c ono mic  and   so cial life.  In  indu stry, be  u s eful i n   reve rs e engi nee rin g   to create   complex auto m otive  pa rts and  a variety of m e ch ani cal mo dels. In  ortho pedi cs, to  pro s the s e s  fab r i c ation  and i n   Rob o tics, ma ke   possibl e the  artificial visi o n  to mobile robots. In  fore nsi c  medi cine , they help to con s tru c t dig i tal  3D mo del s  of accide nts.  3D  scann e r s g a the r  inf o rmatio n of  an obj ect a nd re present   it  grap hically in three dim e n s i ons u s in g different te chniq ues [4, 5].     Usually, the  key ha rd wa res of  a 3 D   scann er   ba sed on  struct ured -lig ht technolo g y  inclu de digita l came ra s an d a gratin g gene rato r, as sho w n in Fi gure 1. Th e purp o se of the   grating g ene rator is to proj ect a se rial of  gratin g s  to the su rfaces o f  the object to be mea s u r ed.  These g r atin gs a r e  usuall y  electronic  grating s . Co mmonly, the y  are a bout  10 to 15  re g u lar   pattern s  with  black-white   strip s , in cludi ng several  Gray-co de p a tterns an d  several Cosi ne- function  pattern s. A pattern exa m ple  of the gr at ings i s  sho w n in Fi gure 2. Du ring  the   measurement , these gratin gs ar e modul ated by the surface of  the obje c t to be measured, and   then the i m a ges of the m odulate d   g r ati ngs are  capt ured  by digi t a l ca meras.  Via these im age s,  the 3D  coo r di nates of the  surfac e can be  calculated  wi th prop rieta r y algorithm. T he asse mbla ge   inclu d ing all o f  the coordina tes is called p o int clou d [6, 7].  The  comm ercial video p r oj ector is  often  borro wed to  gene rate a n d  proj ect the  el ectro n ic  grating s  for  common  3 D   scan ners,  but t here  a r e  so m e  obvio us p r o b lems.  Fo r ex ample, th e  si ze   is too la rge, i t  is not conve n ient to setu p, t he RGB li ghts  come  from the p r oje c tor  can not f o cu s  exactly, the internal p a ra meters of gratings  can n o t be adjuste d easily, the interfaces a r e not  conve n ient f o r exte rnal  control, the  internal   ci rcu i ts for vid e o  sign al tre a tment a r e ve ry  compli cate d. Due to these  factors, it be come s  difficu lt to meet the  demand s of miniaturi z atio n  and autom atization to the device, and a l so limit some   applicatio ns i n  certai n fields [8-10]. In this  pape r, a new  grating g ene rator is de sig n ed to solve th ese i s sue s .            Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3603 – 36 08   3604     2. Grating G e nera tor Des i gn  To 3 D   scan n e rs,  the  grati ngs to b e   pro j ected  de pen d on  the  spe c ially d e si gne d sy stem   algorith m  an d vary from prod uct to produ ct.  But fo r a ce rtain commercial 3 D  scan ner, th e   numbe r of the grating s  an d all of the grating pa tte rn s are fixed. So it is possi ble to use th e  compl e x pro g ramm able l ogic d e vice (CPLD) chip to gene rate a nd co ntrol th ese g r ating s   and   avoid the bef ore - mentio ne d probl em s. The CPL D   chip is hig h -in t egrated  with  conveni ent I/O  ports, it is p r ogra mmabl e  and ea sy to  control.  More over, it is hi gh-p e rfo r ma n c e with  pro p e r   price. Base d on these, in this pa per, a  CPLD  chip   was u s ed to write the input ports of a grating  chip  dire ctly, to get the g r a t ings requi re d .  The  Block d i agra m  of the  system i s   sh own  as Fi gu re   3.           Figure 3. Block  Diag ram o f  the System      2.1. Grating  Chip   There are 3  main tech n o logie s  for i m age p r oje c t i ng, they are  digit light proce s sing  (DLP ), liquid  cry s tal display (LCD) and l i quid  crysta l  on  silicon (LCOS). LCOS is sort of a hybrid  betwe en L C D and DLP. It use s  liqui d crystal chip s wi th a mirro red  backin g . So it’s refle c tive, like   DLP, but blo c ks lig ht usin g liquid  cry s tal, like  L CD.  In this pap er,  a LCOS vid eo chip HX 7 027   serve s  a s  th e g r ating  chi p . It is  a  pro ductio n  of  Hi max Di spl a y  Inc. It is an  a c tive matrix  li quid  cry s tal displa y with resoluti on of 640 by  480 pixel s . It  receives  8-bit s  RGB d a ta (3 dots p e r pix e l)  input per cl o ck  simultan e ously and g e nerate s   corre s po ndin g  voltage output of  256 level gra y   scale s . It is ideal for the p e r forma n ce de mand s of ligh t  weight, sm a ll size, hi gh speed, excelle nt  contrast ratio  and go od resolution ap plications. Th e chip si ze i s  ab out only 0.44  inch es di ago nal.  It is suitable for 3D  scanni ng.    2.2. Control Chip  A CPLD chip  EPM3256AT C 14 4 from Al tera Corp orat ion is cho s en  to drive the above- mentione d  HX7027  chip. I t  own s  256   macro  cell s  a nd M a ximum  161 I/O  po rts for  user,  and  its  cou n ter f r eq uen cie s  a r e  up to 1 27M Hz. It  can  b e  re -p rog r am med fo r qui ck an d effici ent   iteration s  du ri ng de sign d e v elopment an d debu gging  cycle s .         Figure 1. Sch e matic Di ag ram of a 3D Scan ner      Figure 2. An Example of Gray-cod e Grat ings Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     De sign of a G r ating Ge ne ra tor for Three - dim ension a l Scann er (He  Xingzh eng )  3605 2.3. Light Source   Usually, pro p e r sele ction f o r t he light  source of the  grati ng gen erator  is often  ignored  becau se the i m porta nce is  not really real ized. In  fact, i t  affects the  measuri ng re sults  a lot. One  of the rea s on s i s  that the   optical  sy ste m  ca nnot  fo cus th e  colo r l i ght exa c tly. The  comm ercial  proje c to r is u s ually fo r  col o r im age s, e v ery pixel  co nsi s ts  with at  lea s t 3  colo r dot s, i.e. tri - chromati c  col o rs of  red, g r een  an d blu e  (RGB).  No rmally, it is  difficult to ge t ideal g r ati n g   pattern s, esp e cially to Co sine -fun ction  grating s . The  diagram of light focu s e r ror is  sho w n  as  Figure 4.        Figure 4. Dia g ram of Lig h t Focu s        A single whit e-colo r LED (light emissio n  di ode ) is u s ed to be the light source of the  grating  ge ne rator to  de al  with this i s sue.   For  LED, th e  other advant age s a r e  its f eature s  of lo n g - life and low p o we r co nsum ption mean while.    2.4. Sy stem  Design   Firstly, list all  the grating p a tterns nee d ed,  and th en  label them to  se rial nu mb ers. T h e   seri al n u mbe r s a r e  en code d in  comp ute r  in stru ct ion s  with simple g r amma r.  Se condly,  for ea ch  grating, the correspon ding  softwares a r e em bed ded  in the CPLD  and be relate d to the above- mentione d in stru ction s .       Figure 5. Electroni c Ci rcui t  Diagram of the System       In 3D scan nin g  pro c e ssi ng,  the above-m entione d instruction s  are sent to the CPLD chip   on-d e ma nd, via RS232 or USB interface, by the  host compute r  (o r microproce s sor) of the 3D  scann er. T h e n  the  se rial  n u mbe r s of the  gratings  a r e  decode d fro m  the in structio ns, a c co rding l y,  the CPLD  wri t es the co rre s po ndin g  1 o r  0 to  each d a ta input port  of HX7027  simultaneo usly.  HX702 7 is a  dot-mat rix chi p , due to its high-sp eed  fe ature, the re q u ired g r atin g pattern s ca n be  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3603 – 36 08   3606 proje c ted  wit hout flicke r.  Of co urse, a  proj ecti n g  o p tical  system  is n e cessa r y. The ele c tronic  circuit diag ra m of the system is shown as Figu re 5.     2.5. The Softw a r e  o f  CPL D       Figure 6. Simplified Softwa r e Flo w  Ch art  of CPLD      alway s @ (ne gedg e  cl kout)  begin   if (counte n  == 1’b1)      begin      if (lineco u n t  < 480)  //image line  cou n t            begin                 case  (datain)  //any data input                   8’h1:begin                       if (column c ou nt < 320)  //image  column  cou n t                            b egin                      de <= 1’b1;  //enabl e data i nput                            d a taout <= 24’ b111 1111 111 1111 1111 111 111; //white line                            e n d                      else if (colum ncount >= 320  && column co unt < 640 )                             b egin                           d e  <= 1’ b1;  //enable d a ta in put                           d a taout <= 24’ b0; //black lin e                           e n d                       els e                       begin                            d e  < =  1’b0;  //dis able data input                           d a taout <= 24’ b0;                           e n d                 end          end  end   end   Figure 7. A segment of the  Software of CPLD      The mai n  fun c tion of th e  software  emb e dded i n  the  CPLD  chip i s  t o  write data  1  or  0 to  each data in put port s  of  HX702 7 pe r timing cl ock,   with high -spe ed. In each p r ocedu re, CP LD  write s  d a ta t o  every  matrix dot (T otal  640 ×4 80  d o t s)  of HX7 0 2 7   con s tantly and rep eated ly  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     De sign of a G r ating Ge ne ra tor for Three - dim e nsion a l Scann e r (He  Xingzh e ng )  3607 according to   the inst ru ctio n re ceived  from the h o st   comp ut er  (o r  micr op ro ce s s or ).  D a t a  w r it ing  process will continue  until a  new  i n st ruction coming.   The  simplified software flow  chart of  CP LD  is sh own as F i gure 6. A se gment of the  softwa r e of CPLD is  sho w n  in Figure 7.     2.6. Heat M a nagemen t   In this desig n ,  the CPLD chip wo rks very busy,  and write s  data to  I/O ports con s tantly in   very high fre quen cie s . A desi gn re aso nable softwa r e  architectu re  of CPLD to redu ce the po wer  consum ption becomes very impo rtant for  the system  stability.  Moreover, sometimes  a small  ventilation fan is also ne ce ssary for chip  coolin g.      3. Results a nd Tests   3.1. Outpu t  o f  Electronic  Grating s   The  g r ating g enerator bee n  de sign ed works we ll,  onl y  simple com puter comm a nds are   need ed for p r ojectin g  sp eci f ied gratin gs.  The si ze i s   about 80 mm  long, 70mm  wide a nd 4 0 m m  high, so it i s  easy to set in limited sp a c e. 2 ex am ples of the p r o j ected g r atin g s  are shown  in  Figure 8 and  Figure 9.          Figure 8.   Proj ected G r ay-code Grating       Figure 9. Proj ected Co sine Grating       3.2. Scanning Resul t s     The g r ating   gene rato r a b o ve was in sta lled in  a 3 D   scan ner for testing. It wa s e a sy to  be  controlled by  host  mi croproce s sor and respon ded  promptly. The  measured da ta wa s goo d , a s   sho w n in Fig u re 10.               Figure 10. Example s  of Scanne d Data          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3603 – 36 08   3608 4. Conclusio n   In this p ape r, a ne w g r ati ng ge ne rator based  on L C OS te chn o l ogy for 3 D   scan ner is  desi gne d, wit h  a  CPL D  chi p  bein g  u s e d  to insta n t of  the traditio nal  video-pro c e s sing  chi p . Th e   new  gratin g g enerator i s  smaller a nd e a sy to se tup i n  the case, a nd its inte rnal  para m eters  ca n   be ea sily a d juste d  a c co rding  to the  cu stome r  requireme nts.  The inte rfa c e s  an d  co ntrol  instru ction s  a r e si mple, th e desi gn of t he ele c tr o n ic  circuits and the  software are clea r.  It  wa s  installe d in 3 D  scan ners a nd perfo rme d  well.      Ackn o w l e dg ements   This work  wa s  sup p o r ted  by “Chin a  n a t ional  sci en ce an d te ch no logy supp ort  prog ram   Develo pment  of techniqu es and e qui pments fo r  on-site han dl ing in gas-le a ka ge accid ent”  (2012BAK03B05-03).       Referen ces   [1]    Dias P, Mat o s  M, Santos V.  3D R e constr uc tion  of  Rea l  W o rld Sc en es U s ing  a L o w - co st 3D Ra ng e   Scann er.  Co mputer Aid ed Ci vil an d Infrastructure Eng i n e e r ing . 20 06; 21( 7); 486-4 89.   [2]    Martinez- L lar i o  J, Coll E, Herraez J. T h ree- Dieme nsi ona l Scann er Soft w a re Usi ng a Vi deo C a mera .   Advanc es in E ngi neer in g Softw are . 2006; 37 (7): 484-4 89.   [3]    Asahi na D, T a yl or MA. Geometr y  of irre gu lar  partic l es: D i rect surface  measur ements  b y  3- D laser   scann er.  Pow der T e chno lo gy . 2011; 2 13(1):  70-7 8 .  [4]    Rey e sa AL, Cervantesb JM, Guti érrez b  NC. Lo w   Cost 3D Sc ann er b y  Me an s of a 1D Optical Distanc e   Sensor.  Proce d ia T e ch nol ogy . 2013; 7: 223- 230.    [5]    Cui H, L i a o  W ,  Che ng  X, et a l . A T h ree-step S y stem C a li br ation Pr oced ur e  w i th Error  C o mpe n satio n   for 3D Shap e  Measur ement.   Chinese Optics Letters.  201 0; 8(1): 33-37.  (in Chi nes e)   [6]    Nikol ov SI, Jensen JA. Applic ation of Differe nt  Spatial Sam p lin g Patterns for Sparse Arra y T r ansduc e r   Desig n .  Ultras onics . 20 00; 37 (10): 667- 67 1.  [7]    Che ng J, Qiao M, Bian W ,  et  al. 3D Huma n Post ure Segm entatio n b y  S p ectral  Cluster in g  w i t h  Surfac e   Normal C onstr aint.  Sign al Pro c essin g . 201 1; 91(9): 22 04- 22 12.   [8]    Ma S. Comput er Visio n . Beiji ng: Scienc e Press. 1998. (in  Chin ese)    [9]    Je C,  Lee  KH , Lee  SW . Multi-Proj ector  Color  Structur ed-L i ght V i si o n .  Sig nal  Proc essin g : Imag e   Co mmun icati o n . 2013; 2 8 (9): 104 6– 105 8.  [10]    Ben-H a mad ou A,  Soussen C,  D aul  C, et al.  F l exibl e  ca libr a tion of  structur ed-li ght s y stem s projecti ng   poi nt patterns.  Co mp uter Visi on an d Ima ge  Und e rstand in g . 2013; 1 17(1 0 ): 1468 –1 481.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.