CN107783353A - 用于捕捉立体影像的装置及*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于捕捉立体影像的装置及***。用于捕捉立体影像的装置包含飞行时间影像撷取模块以及发光模块，发光模块产生结构光源及照明光源，飞行时间影像撷取模块撷取由结构光源及照明光源投射至物体所形成的第一及第二反射光源，进而获得物体的立体影像信息。通过整合飞行时间(TOF)与结构光技术，本发明得以获得具有高深度精度、低噪声的立体影像信息，同时缩减装置及***的整体体积以及使用功率。

Description

用于捕捉立体影像的装置及***

技术领域

本发明涉及一种捕捉影像信息的装置及***，特别是涉及一种用于捕捉立体影像的装置及***。

背景技术

立体扫描技术已被广泛用于工业领域及日常生活中，例如应用于立体扫描、监控辨识以及深度相机等。立体扫描技术主要是用于检测以及分析物体或环境的几何构造以及外观数据，并利用所检测到的数据进行三维运算，进而仿真及建立物体及环境的数字模型。

现有的立体扫描技术包含使用飞行时间法(Time of Flight，TOF)、立体视觉(Stereo Vision)或结构光(Structured Light)等技术进行立体影像数据的撷取与运算。在前述立体扫描技术中，飞行时间法是通过计算光源投射于被待测物表面，再由待测物表面反射而到达传感器的时间来计算待测物与影像撷取模块之间的距离，进而获得待测物的立体影像数据。飞行时间法的优点在于，相较于立体视觉技术及运用三角测距的结构光技术，飞行时间法可利用复杂度低的***来实现。举例而言，飞行时间影像撷取模块可包含紧靠于彼此而设置的发光组件及用于聚焦反射光的光学单元(例如透镜)，而不需用到三角测距，即，不需要考虑飞行时间影像撷取模块与结构光源之间的距离(基线(Baseline))，以及结构光源经物体反射所得的反射光线与基线之间的夹角。另外，飞行时间影像撷取模块得以在单次投拍(投射-拍摄)下撷取完整的影像信息，因此适用于实时应用(Real-timeApplication)。然而，飞行时间法所获得的影像信息的深度噪声(Depth Noise)较大，且所产生的影像数据的精度较低。

另一方面，结构光技术是通过向待测物投射特定图形，再通过传感器撷取待测物表面的三维图像，最后利用三角测距原理计算而得到待测物的三维坐标。结构光技术虽可获得较低的深度噪声以及较高的影像数据精度，由结构光技术进行立体点云(3D CloudPoint)的计算相对耗时。

因此，仍有需要提供一种解决方案，用以结合飞行时间法以及结构光两者的优点，进而提供一种可提供高深度精度，并具有较小体积、较低耗电量的用于捕捉立体影像的***。

发明内容

为了解决上述技术问题，根据本发明的其中一实施例，提供一种用于捕捉立体影像的装置，其包含一飞行时间影像撷取模块以及一发光模块。飞行时间影像撷取模块用于撷取至少一物体的一立体影像信息。发光模块邻近所述飞行时间影像撷取模块，所述发光模块产生投向所述物体的一结构光源以及一照明光源。所述结构光源通过所述物体的反射，以形成一第一反射光源。所述照明光源通过所述物体的反射，以形成一第二反射光源。所述飞行时间影像撷取模块撷取所述第一反射光源以及所述第二反射光源，以获得所述物体的所述立体影像信息。

更进一步地，所述发光模块包含一光产生单元、一光绕射组件以及一光扩散组件，所述发光模块所产生的所述结构光源是通过所述光绕射组件的转换后所形成，且所述发光模块所产生的所述照明光源是通过所述光扩散组件的转换后所形成。

更进一步地，所述光产生单元包含一用于产生一激光光源的激光产生器以及一光学组件，所述激光光源依序通过所述光学组件以及所述光绕射组件，以形成所述结构光源，且所述激光光源依序通过所述光学组件以及所述光扩散组件，以形成所述照明光源。

更进一步地，所述激光产生器具有至少一准直仪，所述光学组件包含一分光组件以及一反光组件，所述激光光源依序通过至少一所述准直仪的准直、所述分光组件的分光以及所述光绕射组件的转换，以形成所述结构光源，且所述激光光源依序通过至少一所述准直仪的准直、所述分光组件的分光、所述反光组件的反射以及所述光扩散组件的转换，以形成所述照明光源。

更进一步地，所述光产生单元包含一激光产生器以及一发光组件，所述激光产生器所产生的一激光光源通过所述光绕射组件以转换为所述结构光源，且所述发光组件所产生的一投射光源通过所述光扩散组件以转换为所述照明光源。

更进一步地，所述飞行时间影像撷取模块、所述光绕射组件以及所述光扩散组件呈线性设置，且所述飞行时间影像撷取模块的一光接收面、所述光绕射组件的一出光面以及所述光扩散组件的一出光面都沿着同一基准轴线排列。

更进一步地，所述光绕射组件以及所述光扩散组件设置在所述飞行时间影像撷取模块的同一侧，且所述光扩散组件设置于所述光绕射组件与所述飞行时间影像撷取模块之间。

更进一步地，所述光绕射组件以及所述光扩散组件分别设置在所述飞行时间影像撷取模块的两侧。

更进一步地，所述飞行时间影像感测模块还包含一切换模块，所述切换模块包含一红外光带通滤镜、一可见光带通滤镜；以及一光切换器。所述光切换器用于将所述第一反射光源与所述第二反射光源两者导引至所述红外光带通滤镜或是将一环境光源照射于所述物体所产生的反射光导引至所述可见光带通滤镜。当所述第一反射光源以及所述第二反射光源通过所述光切换器的切换以导引至所述红外光带通滤镜时，所述第一反射光源以及所述第二反射光源通过所述红外光带通滤镜，以产生一黑白立体影像信息；当所述环境光源照射于所述物体所产生的所述反射光通过所述光切换器的切换以导引至所述可见光带通滤镜时，所述环境光源照射于所述物体所产生的所述反射光通过所述可见光带通滤镜，以获得一彩色影像信息。

根据本发明的另一实施例，提供用于捕捉立体影像的***，其用于撷取至少一物体的一影像信息，所述***包含一处理器模块、电性连接于所述处理器模块的一飞行时间处理模块、一发光模块，以及电性连接于所述飞行时间处理模块的一飞行时间影像撷取模块。所述发光模块用于产生投向所述物体的一结构光源以及投向所述物体的一照明光源，且所述结构光源通过所述物体的反射以产生一结构光信息，且所述照明光源通过所述物体的反射，以产生一照明光信息。所述飞行时间影像撷取模块用于撷取所述结构光信息以及所述照明光信息。所述飞行时间影像撷取模块所撷取到的所述结构光信息通过所述处理器模块运算后可得到一结构光立体点云。所述飞行时间影像撷取模块所撷取到的所述照明光信息通过所述处理器模块运算后可得到一飞行时间立体点云。所述结构光立体点云以及所述飞行时间立体点云可合并成一用于提供所述物体的所述影像信息的立体深度图。

更进一步地，所述发光模块包含一光产生单元、一光绕射组件以及一光扩散组件，所述发光模块所产生的所述结构光源是通过所述光绕射组件的转换后所形成，且所述发光模块所产生的所述照明光源是通过所述光绕射组件的转换后所形成。

更进一步地，用于捕捉立体影像的***还包含一存储器单元，其中，所述结构光立体点云、所述飞行时间立体点云以及所述立体深度图储存在所述存储器单元。

更进一步地，用于捕捉立体影像的***还包含一计算单元，其电性连接于所述处理器模块，用于对所述立体深度图进行校正。

本发明的主要技术手段在于，通过在单次影像撷取程序中产生结构光源及照明光源，并利用飞行时间影像撷取模块以撷取由结构光源及照明光源经待测物体表面反射而得的第一反射光源以及第二反射光源，可以结合飞行时间法以及结构光技术两者的优点，获得具有低深度噪声(Depth Noise)及高深度精度的待测物体的立体影像信息。另外，本发明的用于捕捉立体影像的装置以及***具有较小的整体体积，且其操作能源的消耗量较低。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1为本发明第一实施例所提供的用于捕捉立体影像的装置的示意图；

图2为本发明第二实施例所提供的用于捕捉立体影像的装置的示意图；

图3为本发明第三实施例所提供的用于捕捉立体影像的装置的示意图；

图4为本发明所提供的用于捕捉立体影像的方法的流程图；

图5A以及图5B为本发明所提供的用于捕捉立体影像的***的示意图；以及

图6为本发明所提供的用于捕捉立体影像的***的操作流程图。

具体实施方式

以下是通过特定的具体实例来说明本发明所公开有关“用于捕捉立体影像的装置、方法以及***”的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与技术效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，先予叙明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的技术范畴。

第一实施例

首先，请参阅图1。图1为本发明第一实施例所提供的用于捕捉立体影像的装置的示意图。本发明第一实施例的用于捕捉立体影像的装置D包含飞行时间影像撷取模块1以及发光模块2。飞行时间影像撷取模块1至少包含镜头模块13以及飞行时间感测单元14。飞行时间影像撷取模块1是用于撷取至少一物体O的立体影像信息。发光模块2邻近飞行时间影像撷取模块1。发光模块2与飞行时间影像撷取模块1之间的设置距离依据所欲实现的影像分辨率，以及用于捕捉立体影像的装置D与待测量的物体O之间的距离而定，详细内容稍后说明。

承上述，发光模块2包含光产生单元21、光绕射组件22以及光扩散组件23。发光模块2是用于产生投向物体O的结构光源SL以及照明光源IL光产生单元21包含光产生器，也可进一步包含其他光学组件，如透镜等。光产生单元21的光产生器的种类不在此限定。光产生单元21产生同调光(Coherent Light)，因此，只要能够实现上述目的，光产生单元21内部组件的选用及设置可以加以调整。举例而言，光产生单元21的光产生器为激光产生器211，用以产生激光光源L11。举例而言，可使用产生红外光的光产生器。另外，也可使用其他的发光组件作为光产生单元21的光产生器，例如发光二极管(Light emitting diode，LED)，再搭配「窄」带通滤波器(“Narrow Bandwidth”Band Pass Filter)使由发光二极管所产生的光源转换为同调光。优选地，光产生单元21包含激光产生器211，如此一来，可以在不使用带通滤波器的情况下直接产生具有单一波长的光源，且足以提供进行立体影像信息撷取足够的能量。于本实施例中，光产生单元包含激光产生器211。另外，在使用激光产生器211时，激光产生器211可具有至少一准直仪(Collimator)2111。

如上所述，光绕射组件22以及光扩散组件23分别用于将由光产生单元21所产生的同调光转换为结构光源SL以及照明光源IL。换句话说，由发光模块2所产生的结构光源SL是通过光绕射组件22的转换后所形成，而发光模块2所产生的照明光源IL是通过光扩散组件23的转换后所形成。另外，光绕射组件22以及光扩散组件23与光产生单元21之间可进一步包含其他光学组件，举例而言，光绕射组件22以及光扩散组件23与光产生单元之间可包含透镜，例如聚焦透镜。

光绕射组件22又称为绕射光学组件(Diffractive Optical Element，DOE)，其可为全像片、光栅，或其他适合的光学组件。光绕射组件22用以通过其表面的微结构而利用光源产生二维编码。于本发明实施例中，光绕射组件22将光产生单元21所产生的同调光转换为投射于物体O(或是由多个物体O所组成的环境)表面的结构光源SL。光扩散组件23用于将光产生单元21所产生的同调光平均扩散，从而产生投射于待测的物体O表面的照明光源IL。为获得待测物体O或环境的完整立体影像信息，光扩散组件23是将光产生单元21所产生的同调光转换为得以完整涵盖待测物体O或环境的照明光源IL。

值得一提的是，由于本发明实施例所使用的光产生单元21具有复杂度较低的结构组成，其是具有较小的尺寸及体积而可应用于小型电子产品，例如移动电话等。除此之外，光产生单元21仅须通过简单的电子控制***以控制其中的激光产生器211产生脉冲式的光源信号，本发明实施例并不需要使用复杂的面板以及设置***电路用以控制光产生单元21出光的模式，因此，除了可降低本身的体积之外，还可降低制程与生产成本。

在第一实施例中，光产生单元21是包含单一光产生器(激光产生器211)。因此，为了将激光产生器211所产生的激光光源L1通过光绕射组件22以及光扩散组件23分别转换为结构光源SL及照明光源IL，光产生单元21还进一步包含光学组件212，用以对激光光源L1进行分光。换句话说，如图1所示，光产生单元21包含激光产生器211以及光学组件212，激光产生器211所产生的激光光源L11依序通过光学组件212及光绕射组件22，以形成结构光源SL，且激光光源L11依序通过光学组件212及光扩散组件23，以形成照明光源IL。

具体来说，光学组件212包含分光组件2121以及反光组件2122。举例而言，分光组件2121为半反射镜(Half Mirror)，其具有特定的反射率/穿透率比值，用于对激光光源L11进行分光。反光组件2122为一导光组件，例如反射镜。激光光源L11进行分光后，一部分的光束通过光绕射组件22而形成结构光源SL，另一部分的光束通过反光组件2122的反射而被导引至光扩散组件23，进而产生照明光源IL。结构光源SL投射于物体O的表面后，经过物体O的表面的反射而形成第一反射光源R1，而照明光源IL投射于物体O的表面，并经过物体O的表面的反射而形成第二反射光源R2。

同样参阅图1，飞行时间影像撷取模块1撷取第一反射光源R1以及第二反射光源R2，以获得物体O的立体影像信息。换句话说，通过利用飞行时间影像撷取模块1中的镜头模块13撷取由结构光源SL所产生的第一反射光源R1，可以通过空间调变而获得物体O的立体影像信息，而通过利用飞行时间影像撷取模块1的镜头模块13撷取由照明光源IL所产生的第二反射光源R2，可以通过时间调变而获得物体O的立体影像信息。

以下将详细说明本发明第一实施例中飞行时间影像撷取模块1以及发光模块2的设置方式。于本发明中，飞行时间模块1以及发光模块2的排列方式是取决于所欲获得的立体影像信息的分辨率、精度，以及用于捕捉立体影像的装置D与待测量的物体O之间的距离而定。具体而言，利用结构光技术进行立体影像信息的撷取时，须利用三角测距法进行计算。三角测距法包含通过已知参数，即，飞行时间模块1与结构光源SL发射点的横向距离(即三角测距法中的Baseline，图1中所示x方向的基线BL)，以及第一反射光源R1与基线BL之间的夹角(图1中所示的三角测距角θ)，来推算深度距离(图1中所示z方向)。因此，如图1所示，于本发明中，飞行时间影像撷取模块1、光绕射组件22以及光扩散组件23呈线性设置，且飞行时间影像撷取模块1的光接收面11、光绕射组件22的出光面221以及光扩散组件23的出光面231都沿着同一基准轴线BA排列。

承上述，基于三角测距的考虑，一般而言，光绕射组件22与飞行时间影像撷取模块1之间的距离越远，由此所获得的立体影性信息的精度越高。举例而言，使用格雷码(GrayCode)算法时，对于5Mega Pixel的飞行时间影像撷取模块1而言，当光绕射组件22与飞行时间影像撷取模块1之间的距离(基线BL)为14公分，而三角测距角θ为20度，在深度20公分处可获得0.1毫米(mm)的分辨率。另外，使用相移(Phase Shift)算法，或是使用光斑(Speckle)算法加上相移算法时，依据亮暗动态对比程度，分辨率可再进一步提升。然而，随着光绕射组件22与飞行时间影像撷取模块1之间的距离的增加，用于捕捉立体影像的装置D的整体体积也越大。另一方面，由于通过光扩散组件23的转换而产生的照明光源IL是利用时间调变的原理进行距离的计算，在本发明中，光扩散组件23与飞行时间影像撷取模块1之间的距离不在此限定。换句话说，只要使得由光扩散组件23的出光面231所投射于物体O表面的照明光源IL的范围足以涵盖飞行时间影像撷取模块1的可视区，光扩散组件23与飞行时间影像撷取模块1之间的距离可依据其他参数加以调整。

综上所述，本发明第一实施例所提供的用于捕捉立体影像的装置D，可通过总共二次的投-拍(投影-拍摄)程序，即通过光绕射组件22投射结构光源SL、由飞行时间影像撷取模块1撷取由结构光源SL所产生的第一反射光源R1，以及通过光扩散组件23投射照明光源IL，再由飞行时间影像撷取模块1撷取由照明光源IL所产生的第二反射光源R2，来获得分别通过空间调变以及时间调变而得的立体影像信息。另外，前述两次投-拍程序的顺序可以相反，本发明不在此限制。

通过整合两种不同立体扫描技术，可结合此等立体扫描技术各自的优点，即，利用结构光进行近距离、高精度的立体影像信息撷取，并以飞行时间法进行中距及远距的立体扫描，同时用以来提高以结构光进行近距立体扫描时的深度精度(Depth Accuracy)。

同样参阅图1，本发明第一实施例的飞行时间影像感测模块1还包含切换模块12。切换模块12是用于对所获得的立体影像信息进行贴色(Color Texturing)。具体而言，切换模块12包含红外光带通(Bandpass)滤镜、可见光带通滤镜，以及光切换器。光切换器用于将第一反射光源R1与第二反射光源R2导引至红外光带通滤镜，或是将环境光源导引至可见光带通滤镜。光切换器可为，举例而言，压电马达(Piezoelectric Motor)、音圈马达(VoiceCoil Motor，VCM)或电磁开关。

如此一来，依据由镜头模块14所接收的光源所通过的带通滤镜的性质，可以获得不同型态的影像信息。举例而言，在红外光模式下，第一反射光源R1以及第二反射光源R2通过光切换器的切换而被导引至红外光带通滤镜，第一反射光源R1以及第二反射光源R2中红外光之外的波段会被过滤，并分别通过空间调变及时间调变算法而将2D的结构光源SL及照明光源IL反射影像经过运算转换为物体O的黑白立体影像信息。另外，在可见光模式下，环境光源照射至物体O所产生的反射光通过光切换器的切换而被导引至可见光带通滤镜，反射光中可见光之外的波段会被过滤，而获得物体O的彩色影像信息。具体来说，在可见光模式下，用于产生结构光源SL及照明光源IL的发光模块2可为关闭状态，而光切换器是将环境光，例如外界自然光(太阳光)或室内光源(例如电灯的光源)照射至物体O所产生的反射光导引至可见光带通滤镜，而通过可见光带通滤镜将反射光中可见光之外的波段过滤，而达到撷取物体O的彩色影像信息的效果。换句话说，在可见光模式时，不需要通过发光模块进行光源投射的动作。

换句话说，在进行前述总共二次的投-拍(投影-拍摄)程序(分别通过结构光源SL以及照明光源IL而实现)之后，可通过切换模块12中的切换器而使环境光源照射至物体O所产生的反射光被导引至可见光带通滤镜，借此完成第三次的彩色拍摄程序。前述第三次的拍摄程序可获得物体O的彩色影像信息，因此，通过数据的整合及运算，可将前两次投-拍程序所获得的黑白立体影像信息，通过第三次拍摄程序所得的信息而转换为彩色立体影像信息。

综上所述，通过在飞行时间影像感测模块1的结构上进一步加装切换模块12，可对黑白立体影像信息进行贴色，且由于包含有切换模块12的飞行时间影像感测模块1可同时作为飞行时间摄影机(TOF Camera)以及彩色摄影机(Color Camera)，此二种摄影机具有相同像素以及共同的世界坐标，据此，可在不须进行额外校正程序的情形下达到快速贴色以及无缝贴色的效果，同时省去使用额外彩色摄影机的必要性。

第二实施例

请参阅图2。图2为本发明第二实施例所提供的用于捕捉立体影像的装置的示意图。本发明第二实施例与第一实施例之间最大的差别在于发光模块2的设计不同。以下将针对第二实施例与第一实施例的不同之处进行说明，而第二实施例与第一实施例实质上相同的部分将不再赘述。

如图2所示，第二实施例中，光产生单元21包含激光产生器211以及发光组件213，激光光源211所产生的激光光源L11通过光绕射组件22以转换为结构光源SL，且发光组件213所产生的投射光源L12通过光扩散组件23以转换为照明光源IL。换句话说，与第一实施例不同的是，第二实施例是利用两个独立的光产生器来分别产生用于产生结构光源SL以及照明光源IL的激光光源L11以及投射光源L12。

具体而言，由于结构光源SL必须由同调光所产生，第二实施例中是选用激光产生器211，并搭配准直仪2111来产生激光光源L11。另一方面，用于产生照明光源IL的发光组件231的种类则不在此限制。举例而言，发光组件231可为LED发光组件。

请同样参阅图2，光绕射组件22以及光扩散组件23设置在飞行时间影像撷取模块1的同一侧，且光扩散组件22是设置于光绕射组件23与飞行时间影像撷取模块1之间。如同针对第一实施例所述，飞行时间影像撷取模块1、光绕射组件22以及光扩散组件23呈线性设置，且飞行时间影像撷取模块11的光接收面111、光绕射组件22的出光面221以及光扩散组件23的出光面231都沿着同一基准轴线BA排列，而飞行时间影像撷取模块11与光绕射组件222在x方向(水平方向)上的距离为三角测距法中的基线BL(Baseline)。

第三实施例

请参阅图3。图3为本发明第三实施例所提供的用于捕捉立体影像的装置的示意图。本发明第三实施例与第二实施例之间最大的差别在于发光模块2中各组件的设置方式不同。以下将针对第三实施例与第二实施例的不同之处进行说明，而第三实施例与第二实施例实质上相同的部分将不再赘述。

如图3所示，光产生单元21包含激光产生器211以及发光组件213，激光光源211所产生的激光光源L11通过光绕射组件22以转换为结构光源SL，且发光组件213所产生的投射光源L12通过光扩散组件23以转换为照明光源IL。另外，光绕射组件22以及光扩散组件23分别设置在飞行时间影像撷取模块1的两侧。换句话说，光绕射组件22以及光扩散组件23分别设置在飞行时间影像撷取模块1的两相反侧。值得一提的是，第三实施例以及前述第二实施例中光绕射组件22、光扩散组件23以及飞行时间影像撷取模块1之间的相对位置可依据所欲获得的立体影像信息的精度，以及制造用于捕捉立体影像的装置D的过程中的其他参数加以调整。

另外，本发明还提供一种用于捕捉立体影像的方法。请参阅图4，图4为本发明所提供的用于捕捉立体影像的方法的流程图。本发明所提供的用于捕捉立体影像的方法包含下列步骤：通过一发光模块产生投向一物体的一结构光源以及一照明光源(步骤S100)；所述结构光源以及所述照射光源分别通过所述物体的反射，以分别形成一第一反射光源以及一第二反射光源(步骤S102)；以及通过一飞行时间影像撷取模块撷取所述第一反射光源以及所述第二反射光源，以获得所述物体的一立体影像信息(步骤S104)。

请同时参阅图1至3。首先，于步骤S100中，通过发光模块2产生投向物体O的结构光源SL以及照明光源IL。发光模块2可使用前述第一实施例至第三实施例中的发光模块2，其详细内容不在此再次叙述。

接下来，于步骤S102中，利用物体O的表面反射构光源SL以及照明光源IL，借此分别形成第一反射光源R1以及第二反射光源R2。最后，于步骤S104中，通过飞行时间影像撷取模块1撷取第一反射光源R1以及第二反射光源R2，以获得物体O的立体影像信息。除此之外，本发明所提供的用于捕捉立体影像的方法还可进一步包含对立体影像信息进行贴色的步骤。通过光切换器12对立体影像信息进行贴色的方式与第一实施例中所叙述者实质上相同。

具体而言，飞行时间影像撷取模块1可进一步包含一切换模块12，所述切换模块12包含红外光带通滤镜、可见光带通滤镜以及光切换器，且光切换器用于将第一反射光源R1与第二反射光源R2导引至红外光带通滤镜，或是将环境光源照射至物体O所产生的反射光导引至可见光带通滤镜。在红外光模式下，第一反射光源R1以及第二反射光源R2两者通过光切换器的切换以导引至红外光带通滤镜，第一反射光源R1以及第二反射光源R2通过红外光带通滤镜再到达飞行时间感测组件14，以产生黑白立体影像信息。在可见光模式下，环境光源照射至物体O所产生的反射光通过光切换器的切换以导引至可见光带通滤镜，反射光通过可见光带通滤镜再到达飞行时间感测组件14，以获得彩色影像信息。利用前述黑白立体影像信息以及彩色影像信息进行运算及处理，可获得彩色立体影像信息。

本发明另外提供一种用于捕捉立体影像的***，其用于撷取至少一物体O的一立体影像信息。请参考图5A及图5B，并同时配合图6所示。图5A及图5B为本发明所提供的用于捕捉立体影像的***的示意图，而图6为本发明所提供的用于捕捉立体影像的***的操作流程图。本发明所提供的用于捕捉立体影像的***S包含存储器单元51、处理器模块52、飞行时间处理模块53、发光模块58以及飞行时间影像撷取模块56。

首先，请参阅图5A，同时配合图1所示。处理器模块52电性连接于存储器单元51；飞行时间处理模块53电性连接于处理器模块52；发光模块58电性连接于飞行时间处理模块53；而飞行时间影像撷取模块56电性连接于飞行时间处理模块53。举例而言，发光模块58对应于第一实施例中的发光模块2。飞行时间影像撷取模块56可以对应于第一实施例中的飞行时间影像撷取模块1。

如图5A所示，发光模块58可以通过飞行时间处理模块53的控制，用于分别产生投向物体O的结构光源SL以及投向物体O的照明光源IL。结构光源SL以及照明光源IL分别通过物体O的反射而分别产生一结构光信息以及一照明光信息。飞行时间影像撷取模块56通过飞行时间处理模块53的控制，以撷取结构光信息以及照明光信息。

承上述，飞行时间影像撷取模块56所撷取到的结构光信息通过处理器模块52的运算后，可以得到物体O的一结构光立体点云，而飞行时间影像撷取模块56所撷取到的照明光信息通过处理器模块52的运算后，可以得到一飞行时间立体点云，且结构光立体点云以及飞行时间立体点云通过运算可以合并成一立体深度图。举例而言，处理器模块52的结构光立体点云以及飞行时间立体点云通过可通过微处理器模块52的运算而合并为用于提供物体O的影像信息的立体深度图。然而，本发明不在此限制。

具体来说，飞行时间处理模块53是用于调变发光模块58所产生的照明光源IL(即，给予调变信号以进行时间调变)，并且同时依据前述用于调变发光模块58的照明光源IL的方式，用于对飞行时间影像撷取模块56的传感器进行解调变(De-modulate)。由飞行时间影像撷取模块56所撷取的信息以及由处理器模块52所运算而得的信息，包含结构光立体点云、飞行时间立体点云以及其他信息，皆可储存于存储器单元51内。换句话说，由飞行时间影像撷取模块56所撷取的信息可以先暂时储存于存储器单元51内，再送回处理器模块52进行处理及运算。另外，用于捕捉立体影像的***S可以进一步包含计算单元57，其电性连接于微处理模块52，用于对立体深度图进行校正。处理器模块52也对飞行时间影像撷取模块56及发光模块58进行整体控制，以避免此等组件之间发生交互时序干扰。

接下来，请参阅图5B，同时参阅图2及图3的内容。如图5B所示，用于捕捉立体影像的***S包含存储器单元51、处理器模块52、飞行时间处理模块53、第一发光模块54、第二发光模块55以及飞行时间影像撷取模块56。处理器模块52电性连接于存储器单元51；飞行时间处理模块53电性连接于处理器模块52；第一发光模块54电性连接于处理器模块52；第二发光模块55电性连接于飞行时间处理模块53；而飞行时间影像撷取模块56电性连接于飞行时间处理模块53。第一发光模块54通过处理器模块52的控制，以用于产生投向物体O的结构光源SL。结构光源SL通过物体O的反射而产生一结构光信息。第二发光模块55通过飞行时间处理模块53的控制，以用于产生投向物体O的照明光源IL。照明光源IL通过物体O的反射而产生一照明光信息。飞行时间影像撷取模块56通过飞行时间处理模块53的控制，以撷取结构光信息以及照明光信息。

举例而言，第一发光模块54以及第二发光模块55分别对应至图2及图3所示的激光产生器211以及发光组件213。飞行时间影像撷取模块56可以对应于第一实施例至第三实施例中的飞行时间影像撷取模块1。换句话说，图5B所显示的用于捕捉立体影像的***可采用图2及图3的用于捕捉立体影像的装置。图5B与图5A所显示的用于捕捉立体影像的***之间的不同之处在于，于图5B所显示的用于捕捉立体影像的***中，第一发光模块54可直接通过处理器模块52进行开关切换(On/Off切换)。换句话说，第一发光模块54不需要通过飞行时间处理模块53进行时间调变。图5B的其他详细内容与图5A实质上相同，在此不再次叙述。

请参阅图6，并依需要参考图1至图3、图5A及图5B的内容。配合前述图5A及图5B所显示的用于捕捉立体影像的***，可进行立体影像信息撷取的程序。如图6所示，首先，在黑白模式下操作用于捕捉立体影像的***S，以获得一黑白影像信息(步骤S200)。换句话说，步骤S200是在红外光(IR)模式下操作用于捕捉立体影像的***S。步骤S200中包含通过结构光获得结构光立体点云的程序(步骤S2001、S2003、S2005)，以及通过飞行时间法获得飞行时间立体点云的程序(步骤S2002、S2004、S2006)。前述两个程序进行的顺序可以依需求加以调整。

举例而言，可以先产生投向至少一物体O的结构光源SL(步骤S2001)，即，可通过光产生单元21与光绕射组件22的组合(包含于发光模块58或是第一发光模块54内)产生结构光源SL。结构光源SL经物体O反射形成第一反射光源R1，飞行时间影像撷取模块56撷取第一反射光源R1，以产生结构光信息(步骤S2003)。接下来，飞行时间影像撷取模块56所撷取到的结构光信息通过处理器模块52的运算，以得到结构光立体点云(步骤S2005)。至此，已完成以结构光撷取物体O的立体影像的程序。

接下来，产生投向至少一物体O的照射光源LL(步骤S2002)。即，可通过光产生单元21与光扩散组件23的组合(包含于发光模块58或是第二发光模块55内)产生照明光源IL。照明光源IL经物体O反射形成第二反射光源R2，飞行时间影像撷取模块56撷取第二反射光源R2，以产生照明光信息(步骤S2004)。接下来，飞行时间影像撷取模块56所撷取到的照明光信息通过处理器模块52的运算，以得到飞行时间立体点云(步骤S2006)。至此，已完成以飞行时间法撷取物体O的立体影像的程序。

接着，结构光立体点云以及飞行时间立体点云通过处理器模块52的运算，以合并成一黑白立体深度图(S2007)。在此步骤中，将以结构光进行近距离立体扫描所获得的信息以及以飞行时间法进行中距及远距立体扫描所获得的信息加以整合。如此一来，可以利用结构光获得近距离下的高精度的立体影像信息撷取，并以飞行时间法进行中距及远距的立体扫描，同时用以来提高以结构光进行近距立体扫描时的深度精度。

承上述，由于在红外光模式下操作用于捕捉立体影像的***S，只能获得黑白立体深度图，可在进行前述步骤S200后，进行步骤S202以及S204，即在彩色模式下操作用于捕捉立体影像的***S，以获得一彩色影像信息，以及基于彩色影像信息中的像素(Pixel)信息对黑白立体深度图上色，以获得彩色立体深度图。值得一提的是，由于彩色影像信息中的像素信息与前述利用结构光源SL或照明光源IL所得的信息的间像素完全一致，不需要再进行外部校正即可以高精度对黑白立体深度图进行上色。步骤S202可通过使用图1至图3中所述的切换模块12而完成。具体来说，步骤S202包含以环境光源投射于物体O、经由飞行时间影像撷取模块56撷取由物体O的表面所反射的彩色反射光、使用切换模块12中的光切换器导引彩色反射光至可见光带通滤镜，而获得物体O的彩色影像信息。最后，在步骤S204中，依据步骤S202中所获得的彩色影像信息对步骤S200中所获得的黑白立体深度图上色，以获得彩色立体深度图。

本发明的有益效果

综上所述，本发明的有益效果在于，通过整合结构光与飞行时间技术于单一用于立体影像撷取的装置或***之中，本发明得以获得具有高深度精度、低噪声的立体影像信息，同时缩减装置及***的整体体积以及使用功率。

具体而言，本发明所提供的装置、方法及***中是利用结构光进行近距离、高精度的立体影像信息撷取，并以飞行时间法进行中距及远距的立体扫描。如此一来，可有效增加立体扫描的范围，进而提升产品的应用范围。另外，由于本发明的装置及***的体积较小、结构复杂度低，可以适用于较小的电子产品中，且可在提供较少能源的条件下进行操作。详细而言，本发明所提供的装置及***中可通过简单的组件，即小体积的激光模块211搭配准直仪2111以及光绕射模块22(二者皆为小体积的透镜)来产生结构光源SL，其中激光模块211只须提供脉冲式信号而不需要复杂的控制模块进行控制，制造成本可大幅降低。再者，利用飞行时间法可以来提高以结构光进行近距立体扫描时的深度精度(Depth Accuracy)。

除此之外，本发明所提供的装置、方法及***可通过在飞行时间影像撷取模块上加装切换模块，而在不增加摄影机数量以及装置、***尺寸之下，达到快速贴色以及无缝贴色的效果。

以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的权利要求的保护范围，故凡运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (13)

1.一种用于捕捉立体影像的装置，其特征在于，所述用于捕捉立体影像的装置包含：

一飞行时间影像撷取模块，其用于撷取至少一物体的一立体影像信息；以及

一发光模块，其邻近所述飞行时间影像撷取模块，其中所述发光模块产生投向所述物体的一结构光源以及一照明光源；

其中，所述结构光源通过所述物体的反射，以形成一第一反射光源，所述照明光源通过所述物体的反射，以形成一第二反射光源，且所述飞行时间影像撷取模块撷取所述第一反射光源以及所述第二反射光源，以获得所述物体的所述立体影像信息。

2.根据权利要求1所述的用于捕捉立体影像的装置，其特征在于，所述发光模块包含一光产生单元、一光绕射组件以及一光扩散组件，所述发光模块所产生的所述结构光源是通过所述光绕射组件的转换后所形成，且所述发光模块所产生的所述照明光源是通过所述光扩散组件的转换后所形成。

3.根据权利要求2所述的用于捕捉立体影像的装置，其特征在于，所述光产生单元包含一用于产生一激光光源的激光产生器以及一光学组件，所述激光光源依序通过所述光学组件以及所述光绕射组件，以形成所述结构光源，且所述激光光源依序通过所述光学组件以及所述光扩散组件，以形成所述照明光源。

4.根据权利要求3所述的用于捕捉立体影像的装置，其特征在于，所述激光产生器具有至少一准直仪，所述光学组件包含一分光组件以及一反光组件，所述激光光源依序通过至少一所述准直仪的准直、所述分光组件的分光以及所述光绕射组件的转换，以形成所述结构光源，且所述激光光源依序通过至少一所述准直仪的准直、所述分光组件的分光、所述反光组件的反射以及所述光扩散组件的转换，以形成所述照明光源。

5.根据权利要求3所述的用于捕捉立体影像的装置，其特征在于，所述光产生单元包含一激光产生器以及一发光组件，所述激光产生器所产生的一激光光源通过所述光绕射组件以转换为所述结构光源，且所述发光组件所产生的一投射光源通过所述光扩散组件以转换为所述照明光源。

6.根据权利要求3所述的用于捕捉立体影像的装置，其特征在于，所述飞行时间影像撷取模块、所述光绕射组件以及所述光扩散组件呈线性设置，且所述飞行时间影像撷取模块的一光接收面、所述光绕射组件的一出光面以及所述光扩散组件的一出光面都沿着同一基准轴线排列。

7.根据权利要求3所述的用于捕捉立体影像的装置，其特征在于，所述光绕射组件以及所述光扩散组件设置在所述飞行时间影像撷取模块的同一侧，且所述光扩散组件设置于所述光绕射组件与所述飞行时间影像撷取模块之间。

8.根据权利要求3所述的用于捕捉立体影像的装置，其特征在于，所述光绕射组件以及所述光扩散组件分别设置在所述飞行时间影像撷取模块的两侧。

9.根据权利要求3所述的用于捕捉立体影像的装置，其特征在于，所述飞行时间影像感测模块还包含一切换模块，所述切换模块包含：

一红外光带通滤镜；

一可见光带通滤镜；以及

一光切换器，其用于将所述第一反射光源与所述第二反射光源两者导引至所述红外光带通滤镜或是将一环境光源照射于所述物体所产生的反射光导引至所述可见光带通滤镜；

其中，当所述第一反射光源以及所述第二反射光源通过所述光切换器的切换以导引至所述红外光带通滤镜时，所述第一反射光源以及所述第二反射光源通过所述红外光带通滤镜，以产生一黑白立体影像信息；

其中，当所述环境光源照射于所述物体所产生的所述反射光通过所述光切换器的切换以导引至所述可见光带通滤镜时，所述环境光源照射于所述物体所产生的所述反射光通过所述可见光带通滤镜，以获得一彩色影像信息。

10.一种用于捕捉立体影像的***，其用于撷取至少一物体的一影像信息，其特征在于，所述用于捕捉立体影像的***包含：

一处理器模块；

一飞行时间处理模块，其电性连接于所述处理器模块；

一发光模块，用以产生投向所述物体的一结构光源以及投向所述物体的一照明光源，其中所述结构光源通过所述物体的反射以产生一结构光信息，且所述照明光源通过所述物体的反射，以产生一照明光信息；以及

一飞行时间影像撷取模块，其电性连接于所述飞行时间处理模块，以用于撷取所述结构光信息以及所述照明光信息；

其中，所述飞行时间影像撷取模块所撷取到的所述结构光信息通过所述处理器模块运算后可得到一结构光立体点云；

其中，所述飞行时间影像撷取模块所撷取到的所述照明光信息通过所述处理器模块运算后可得到一飞行时间立体点云；

其中，所述结构光立体点云以及所述飞行时间立体点云可合并成一用于提供所述影像信息的立体深度图。

11.根据权利要求10所述的用于捕捉立体影像的***，其特征在于，所述发光模块包含一光产生单元、一光绕射组件以及一光扩散组件，所述发光模块所产生的所述结构光源是通过所述光绕射组件的转换后所形成，且所述发光模块所产生的所述照明光源是通过所述光绕射组件的转换后所形成。

12.根据权利要求10所述的用于捕捉立体影像的***，其特征在于，所述用于捕捉立体影像的***还包含一存储器单元，其中，所述结构光立体点云、所述飞行时间立体点云以及所述立体深度图储存在所述存储器单元。

13.根据权利要求10所述的用于捕捉立体影像的***，其特征在于，所述用于捕捉立体影像的***还包含一计算单元，其电性连接于所述处理器模块，用于对所述立体深度图进行校正。