CN106597469B - 主动成像的激光摄像头的成像方法 - Google Patents

主动成像的激光摄像头的成像方法 Download PDF

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Abstract

一种主动成像的激光摄像头及其成像方法，包括激光发生器、光感器和控制芯片，所述激光发生器、光感器与控制芯片连接，成像方法包括一、采集物体相对于摄像头焦点的三维球面坐标
Figure DDA0001185391110000011
二、图像转换。其优点是在同一场景只需在一个位置拍摄一幅图像，即可获取空间点的三维信息。对光照及物体形态的先验认识无依赖性，不会因三维成像视角的不同和物体的遮挡丢失信息，对其恢复的精确性高。

Description

主动成像的激光摄像头的成像方法
技术领域
本发明涉及摄影的特殊设备，涉及相机和电子闪光设备的联合，尤指一种主动成像的激光摄像头的成像方法。
背景技术
传统的三维成像可称为被动式三维成像，是仿照人类利用双目线索感知距离的方法，需要在同一场景的不同位置拍摄两幅或两幅以上的图像，通过计算空间点在两幅图像的视差，获取空间点的三维信息。由于被动三维成像对光照及物体形态的先验认识有极大的依赖性，使其在某些场合有极大的局限性。而且被动式三维成像还会因为视角的不同和物体的遮挡丢失信息，对其恢复的精确性产生不良影响。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种主动成像的激光摄像头的成像方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种主动成像的激光摄像头的成像方法，采用下述激光摄像头，该激光摄像头包括激光发生器、光感器和控制芯片，所述激光发生器、光感器与控制芯片连接，其中：
激光发生器，用于产生N×N束平面阵列激光；
光感器，将接受的激光发生器的N×N束平面阵列激光转换成电信号并滤除背景光、实现信号放大和电路光路隔离、检测并过滤特定频率的光波；
控制芯片，用于控制激光发生器每个发光单元启停，计算和记录光感器感光时间，并将激光信号转换成图像信号。
进一步地：
所述激光发生器可以包括纳米激光发射阵列、准直***和光纤，所述纳米激光阵列发出初级激光束，通过光纤到达由微透镜阵列构成的准直***，准直***将初级激光束变换成准激光束。
所述准直***可以包括有镜头，将每束平面光水平、垂直偏过一定角度变成 N×N束球面光阵列。
所述激光发生器可以包括激光振荡器、光开关和准直***，激光振荡器发出初级激光为总球面光，光开关球面阵列受控制芯片控制，实现对球面上任一束子光通断控制。
本发明还可以包括有汇光透镜，安装于感光器前端，将远处物体漫反射的激光光汇聚成一光斑。
所述光感器可以包括依序连接的过滤片、光二极管、放大器和若干个带通滤波器，过滤片用于滤除背景光；光二极管用于实现光电转换；放大器用实现信号放大和电路光路隔离；带通滤波器用于检测并过滤特定频率的光波。
本发明主动成像的激光摄像成像方法包括如下步骤：
一、采集物体相对于摄像头焦点的三维球面坐标(α，b，r)
①向激光发生器发出工作指令job(i，j)，1≤i，j≤N；
②激光发生器unit(i，j)单元发出束激光，经准直***后发生水平、垂直偏转形成向量激光laser(αij，bij)；
③向量激光laser(αij，bij)经光感器，小部分光被光感器吸取，光感器向控制芯片发送计时信号，控制芯片记录起始时间t1ij；
④大部分向量激光laser(αij，bij)发射出去，遇物体上一点A发生漫反射后再次经光感器，光感器向控制芯片发送计时信号，控制芯片记录结束时间间t2ij(或者经固定时间后ΔT仍未有计时信号，令t2ij＝∞)；
⑤控制芯片将第(i，j)点位置信息point(αij，bij,rij)写入控制芯片，控制芯片启动下一工作指令job(i，j)，直至所有单元工作指令完成，计算物体上一点的距离为
Figure GDA0002483452220000031
其中c为光速、R为激光焦点离光感器的距离，i、j＝N时工作结束。
步骤(一)有单点工作和多点工作两种方式，所述单点工作方式为同一时刻，只有一束光在工作；所述多点工作方式：同一时刻，有多束光在工作；每束光的光频率或调制光频率不同，被光感器区分；一条指令采集多个像素的三维球面坐标；
二、图像转换
将激光摄像头采集的摄像头系数据坐标，转换成地球坐标系坐标，同时实现坐标与颜色合并；
摄像头坐标系：摄像头焦点为原点，光不发生任何偏转的轴为X轴，与X轴垂直向上的轴为Z轴，垂直纸面向外的轴为Y轴；
地球坐标系：包括坐标和方向。原点点坐标为某点经度、纬度、高程，北极磁场方向为X轴，重力反方向为Z轴，水平向左为Y轴；
具体步骤
①读取数据：从激光摄像头读取成像位置向量point(αij，bij，rij)；1≤i，j≤N；从普通摄像头读取成像颜色信息RGB(rgbi`j`)及相对于激光摄像头位置位置向量 (x'，y'，z')；1≤i`，j`≤M，M为普通摄像头像素；从位置感知器(GPS)读取激光摄像头相对于地球参考点的位置向量AO(x，y，z)，A为地球参考点；从方向感知器(陀螺仪)读取激光摄像头方向相对于地球参考点方向偏转向量Orotal (βx，βy，βz)；
②颜色变换：将位置向量与颜色数据合并P(αij，bij，rij，rgbij)
1)
Figure GDA0002483452220000041
转成
Figure GDA0002483452220000042
2)从普通平面颜色像中提取
Figure GDA0002483452220000043
对应的颜色值rgbij
Figure GDA0002483452220000044
(3)将颜色值rgbij与位置point(αij，bij，rij)合并，形成颜色位置点P(αij， bij，rij，rgbij)；
③方向变换：将摄像头坐标方向变成与地球坐标系方向同向,图像P进行旋转，绕x轴旋转βx、y轴旋转βy、z轴旋转βz变成P(α′i，b′j，rij，rgbij)；
④原点变换：激光摄像头坐标原点变成与地球坐标系原点,图像进行平移，
Figure GDA0002483452220000045
⑤写入文件：将变换后的位置颜色和参考点存储,存储的数据分两部分：地球参考点A的经度W、纬度S、高程H，记为A＝(W,S,H)；变换后的位置颜色，记为APij＝{(xij，yij，zij，rgbij)|1≤i,j≤N}；
本发明的有益效果是：在同一场景只需在一个位置拍摄一幅图像，即可获取空间点的三维信息。对光照及物体形态的先验认识无依赖性，不会因三维成像视角的不同和物体的遮挡丢失信息，对其恢复的精确性高。
制造成本低：感光部分可设计成只有一个光二极管+1个或多个带通滤波器，相比于APD光感器阵列，电路比光路工艺更成熟、规模更易做大、技术上更有优势。
使用方便：成像范围大镜头实现由平面阵列光向球面阵列光转化，使成像具有类似人眼视角的特点(近处清晰、远处广阔)；激光发生器和光感器的设计可以让拍摄角度无限制。
结果价值大：拍摄的照片直接转换成地球坐标，各照片图像之间空间位置明确可直接拼接并上传于地球数据中(GOOGLE EARTH)，无需借助复杂软件或先验知识进行处理。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1是本发明的第一实施例结构原理示意图。
图2是本发明的光感器结构示意图。
图3是本发明的第二实施例结构原理示意图。
图4是本发明的第三实施例结构原理示意图。
图5是本发明的第四实施例结构原理示意图。
图6是摄像头坐标系示意图。
图7是地球坐标系示意图。
图8是将
Figure GDA0002483452220000051
转成
Figure GDA0002483452220000052
示意图。
具体实施方式
参见附图1，本发明一种主动成像的激光摄像头的成像方法第一实施例，其特征在于：包括激光发生器、光感器和控制芯片，所述激光发生器、光感器与控制芯片连接，其中：
激光发生器，用于产生N×N束平面阵列激光；
光感器，将接受的激光发生器的N×N束平面阵列激光转换成电信号并滤除背景光、实现信号放大和电路光路隔离、检测并过滤特定频率的光波；
控制芯片，用于控制激光发生器每个发光单元启停，计算和记录光感器感光时间，并将激光信号转换成图像信号。
参见图1，在本发明的第一实施例中：所述激光发生器包括纳米激光发射阵列、准直***和光纤，所述纳米激光阵列发出初级激光束，通过光纤到达由微透镜阵列构成的准直***，准直***将初级激光束变换成准激光束。
参见图3，在本发明的第二实施例中，所述准直***包括有镜头，将每束平面光水平、垂直偏过一定角度变成N×N束球面光阵列。
参见图4，在本发明的第三实施例中，所述激光发生器包括激光振荡器、光开关和准直***，激光振荡器发出初级激光为总球面光，光开关球面阵列受控制芯片控制，实现对球面上任一束子光通断控制。
参见图5，在本发明的第四实施例中，包括有汇光透镜，安装于感光器前端，将远处物体漫反射的激光光汇聚成一光斑。
所述光感器包括依序连接的过滤片、光二极管、放大器和若干个带通滤波器，过滤片用于滤除背景光；光二极管用于实现光电转换；放大器用实现信号放大和电路光路隔离；带通滤波器用于检测并过滤特定频率的光波。
本发明工作过程包括如下步骤：
二、采集物体A相对于摄像头焦点O的三维球面坐标(α，b，r)
1)控制芯片向激光发生器发出工作指令job(i，j)，1≤i，j≤N；
2)激光发生器unit(i，j)单元发出束激光，经准直***后发生水平、垂直偏转变成向量激光laster(αij，bij)；
3)向量激光laster(αij，bij)经光感器，小部分光被光感器吸取，光感器向控制芯片发送计时信号，控制芯片记录起始时间t1ij；
4)大部分向量激光laster(αij，bij)发射出去，遇物体上一点A发生漫反射后再次经光感器，光感器向控制芯片发送计时信号，控制芯片记录结束时间t2ij(或者经固定时间后ΔT仍未有计时信号，令t2ij＝∞)；
5)控制芯片将第(i，j)点位置信息point(αij，bij，rij)写入控制芯片，控制芯片启动下一job(i，j)工作指令，直至所有单元工作指令完成，计算物体上一点A的距离为
Figure GDA0002483452220000071
c为光速，R为激光焦点离光感器的距离，i， i、j＝N时工作结束。
步骤(一)有单点工作和多点工作两种方式，所述多点工作方式：同一时刻，有多束光在工作；每束光的光频率或调制光频率不同，被光感器区分；一条指令采集多个像素的三维球面坐标。
二、图像转换
将激光摄像头采集的摄像头系数据坐标，转换成地球坐标系坐标，同时实现坐标与颜色合并；
摄像头坐标系：如图6所示摄像头焦点O为原点，光不发生任何偏转的轴为 X轴，与X轴垂直向上的轴为Z轴，垂直纸面向外的轴为Y轴；
地球坐标系：如图7所示A点为参考点的地球坐标系，包括坐标和方向。原点点坐标为A点经度、纬度、高程，北极磁场方向为X轴，重力反方向为Z轴，水平向左为Y轴；
具体步骤
①读取数据：从激光摄像头O读取成像P位置向量point(αij，bij，rij)；1≤i，j≤N；从普通摄像头读取成像P颜色信息RGB(rgbi`j`)及相对于激光头O位置向量(x'，y'，z')；1≤i`，j`≤M，M为普通摄像头像素；从位置感知器(GPS)读取激光摄像头原点O相对于地球参考点A的位置向量AO(x，y，z)；从方向感知器(陀螺仪)读取激光摄像头O方向相对于地球参考点A方向偏转向量Orotal (βx，βy，βz)；
②颜色变换：将位置向量与颜色数据合并P(αij，bij，rij，rgbij)：
(1)
Figure GDA0002483452220000081
转成
Figure GDA0002483452220000082
(2)从普通平面颜色像中提取
Figure GDA0002483452220000083
对应的颜色值rgbij
Figure GDA0002483452220000084
(3)将颜色值rgbij与位置point(αij，bij，rij)合并，形成颜色位置点P(αij， bij，rij，rgbij)
③方向变换：将摄像头坐标方向变成与地球坐标系方向同向，图像P进行旋转，绕x轴旋转βx，绕y轴旋转βy，绕z轴旋转βz变成P(α′i，b′j，rij，rgbij)；
④)原点变换：激光摄像头坐标原点变成与地球坐标系原点，图像P进行平移，
Figure GDA0002483452220000091
⑤写入文件：将变换后的位置颜色和参考点存储，存储的数据分两部分：地球参考点A的经度W、纬度S、高程H，记为A＝(W,S,H)；变换后的位置颜色，记为APij＝{(xij，yij，zij，rgbij)|1≤i,j≤N}。

Claims (7)

1.一种主动成像的激光摄像头的成像方法，采用主动成像的激光摄像头进行成像，该激光摄像头包括激光发生器、光感器和控制芯片，其特征在于，包括如下步骤：
(一)采集物体相对于激光摄像头焦点的三维球面坐标(α，b，r)
①向激光发生器发出工作指令job(i，j)，1≤i，j≤N；
②激光发生器第unit(i，j)单元发出束激光，经准直***后发生水平、垂直偏转形成向量激光laser(αij，bij)；
③向量激光laser(αij，bij)经过光感器，光感器向控制芯片发送计时信号，控制芯片记录起始时间t1ij；
④向量激光laser(αij，bij)发射出去，遇物体上一点发生漫反射后再次经过光感器，光感器向控制芯片发送计时信号，控制芯片记录结束时间t2ij；
⑤控制芯片将第(i，j)点位置信息point(αij，bij，rij)写入控制芯片，控制芯片启动下一工作指令job(i，j)，直至所有单元工作指令完成，计算物体上一点的距离为
Figure FDA0002483452210000011
c为光速、R为激光摄像头焦点离光感器的距离，i＝N，j＝N时工作结束；
(二)图像转换
将激光摄像头采集的摄像头坐标系数据坐标转换成地球坐标系坐标，同时实现坐标与颜色合并:
①读取数据：从激光摄像头读取成像位置信息point(αij，bij，rij)；1≤i，j≤N，从普通摄像头读取成像颜色信息RGB(rgbi`j`)及相对于激光摄像头位置向量(x′，y′，z′)，其中，1≤i`，j`≤M，M为普通摄像头像素；
从位置感知器读取激光摄像头原点相对于地球参考点的位置向量AO(x，y，z)，A为地球参考点；
从方向感知器读取激光摄像头方向相对于地球参考点方向偏转向量Orotal(βx，βy，βz)；
②颜色变换：将位置信息与颜色数据合并为P(αij，bij，rij，rgbij)
③方向变换：将激光摄像头坐标系方向变成与地球坐标系方向同向，将图像进行旋转，其中，绕x轴旋转βx，绕y轴旋转βy，绕z轴旋转βz得到P(α′i，b′j，rij，rgbij)；
④原点变换：将激光摄像头坐标原点变成地球坐标系原点，得到变换后的位置颜色信息(xij，yij，zij，rgbij)；
⑤写入文件：将变换后的位置颜色和参考点存储，存储的数据分两部分：
地球参考点A的经度W、纬度S、高程H，记为A＝(W,S,H)；
变换后的位置颜色，记为APij＝{(xij，yij，zij，rgbij)|1≤i,j≤N}。
2.根据权利要求1所述的主动成像的激光摄像头的成像方法，其特征在于：步骤(一)中有单点工作和多点工作两种方式，所述单点工作方式只有一束光在工作：所述多点工作方式：同一时刻，有多束光在工作；每束光的光频率或调制光频率不同，被光感器区分；一条指令采集多个像素的三维球面坐标。
3.根据权利要求1所述的主动成像的激光摄像头的成像方法，其特征在于：所述激光发生器包括纳米激光发射阵列、准直***和光纤，所述纳米激光阵列发出初级激光束，通过光纤到达由微透镜阵列构成的准直***，准直***将初级激光束变换成准直激光束。
4.根据权利要求3所述的主动成像的激光摄像头的成像方法，其特征在于：所述准直***包括有镜头，将每束平面光水平、垂直偏转一定角度变成N×N束球面光阵列。
5.根据权利要求1所述的主动成像的激光摄像头的成像方法，其特征在于：所述激光发生器包括激光振荡器、光开关和准直***，激光振荡器发出初级激光为总球面光，光开关球面阵列受控制芯片控制，实现对球面上任一束子光通断控制。
6.根据权利要求1所述的主动成像的激光摄像头的成像方法，其特征在于：所述激光摄像头还包括有汇光透镜，安装于光感器前端，将远处物体漫反射的激光光汇聚成一光斑。
7.根据权利要求1所述的主动成像的激光摄像头的成像方法，其特征在于：所述光感器包括依序连接的过滤片、光二极管、放大器和若干个带通滤波器，过滤片用于滤除背景光；光二极管用于实现光电转换；放大器用于实现信号放大和电路光路隔离；带通滤波器用于检测并过滤特定频率的光波。
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Inventor after: Wang Peng

Inventor after: Chen Chunxiu

Inventor after: Xu Yalan

Inventor after: Zhong Zhihui

Inventor before: Chen Chunxiu

Inventor before: Xu Yalan

Inventor before: Zhong Zhihui

Inventor before: Zhang Lin

Inventor before: Wang Peng

GR01 Patent grant
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