CN109507685A - phong式光照模型的TOF传感器模型的测距方法 - Google Patents

phong式光照模型的TOF传感器模型的测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学以及TOF成像领域，为可以精确的预测在不同光照强度，距离等因素下，噪声对图像传感器的影响，从而调整以便减小噪声得到最优的效果，希望利用该模型可以模拟TOF图像传感器工作机理以及外部因素对其成像影响，以便分析噪声并进行改善。为此，本发明，基于phong式光照模型的TOF传感器模型的测距方法，步骤如下：(1)第一部分为光源模型，模拟了光线从光源发出打到物体的实际效果；(2)第二部分是基于phong式的光照模型；(3)第三部分是传感器模型，通过计算出的相位得出距离信息。本发明主要应用于TOF成像测距场合。

Description

phong式光照模型的TOF传感器模型的测距方法
技术领域
本发明涉及光学以及TOF成像领域，在phong式光照模型基础上并根据实际TOF传感器成像***建立了传感器的行为级模型。具体讲,涉及基于phong式光照模型的TOF传感器模型的测距方法。
背景技术
图像传感器一直以来都是人类研究的热点。但是随着当代科学技术的发展，人类对于传统的2D图像传感器的要求越来越高，不仅期望有着更高分辨率，更快速度，更大的动态范围，人类更加希望能够获得物体的深度信息，但是2D成像技术现在已经不能满足人类的需求，所以应运而生了3D成像技术。基于连续波的TOF算法简单而且测量精度高，使用较多，主要工作原理为检测发射到物体的光，再反射到图像传感器之间时间差，从而算得图像传感器和物体之间的距离。
光源发出光到物体上，物体反射的光被像素接收到，像素的信号由读出电路读出，再经后续处理算得距离信息。通常在ToF传感器设计中，需要先根据传感器工作方式建立相应的软件模型，验证传感器设计方案的可行性，传统的朗伯式光照模型没有考虑镜面反射的影响，至于噪声方面，在phong模型中主要考虑像素的噪声和读出电路的噪声，其中像素的噪声主要考虑散粒噪声，因为散粒噪声是像素的一种固有噪声，没有办法通过改善像素结构来彻底的消除或者降低它。这些噪声使得传感器读出的每一个数都会偏离理想值，从而导致计算出来的距离值偏离实际值。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于phong式光照模型的TOF噪声分析方法，该模型可以精确的预测在不同光照强度，距离等因素下，噪声对图像传感器的影响，从而调整以便减小噪声得到最优的效果，希望利用该模型可以模拟TOF图像传感器工作机理以及外部因素对其成像影响，以便分析噪声并进行改善。为此，本发明采取的技术方案是，phong式光照模型的TOF传感器模型的测距方法，步骤如下：
(1)第一部分为光源模型，模拟了光线从光源发出打到物体的实际效果，采用如下公式：
Ib＝I0·fD·cosα
其中I0为光源峰值发光强度，Ib为光源发射出的总光强，fD为自定义的距离衰减因数，α为出射光线与法线的夹角，并将得到的光信号传递至下一级光照模型中；
(2)第二部分是基于phong式的光照模型，其主要由三部分组成，一部分是环境光Ie,第二部分是漫反射光强Id，第三部分是镜面反射光强Is，其中
Ie＝Ia·Ka
Id＝Ip·Kd·(L·N)
Ls＝Ip·Ks·(V·R)n
其中Ia为环境光强度，Ka为环境光散射强度，Ip为点光源光强，Kd为漫反射强度，L为点光源光线入射矢量，N为法线矢量，Ks为镜面反射强度，V为观察者角度矢量，R为镜面反射矢量，n为镜面反射系数，与表面粗糙度有关，n越大则表面越光滑，镜面反射强度随反射角的增大衰减也越快，另外总的光强公式里在漫反射和镜面反射强度前还有个系数fD为光线随距离衰减系数，公式为
其中D为距离，a0,a1,a2分别为常数项，一次项，二次项的加权系数，总光强I表达式为
其中Ii为多个光源情况下，第i个光源的发光强度，在phong模型的基础上加入时间参数t，从而得到光线随时间变化的衰减程度；并且去掉了phong模型中的环境光成分Ie；并且加入了加和使得可以模拟出多个点光源情况下，距离因素对传感器成像的影响；
(3)第三部分是传感器模型，基于正弦调制的TOF主要是通过检测发射的信号和反射回来的信号之间的相位差φ来计算距离，如下式所示，其中f为调制频率；
为了获得接收光与发射光的相位差，或者说是获得接收光的相位信息，需要对接收光进行采样四个点，设发射的正弦波为：
S(t)＝Asin(wt)
其中A是振幅，w是角频率，接收光为
其中Ar是经过反射之后衰减的振幅，φ是相位差，B是背景光的信号，通过采样计算出相位差从而获得距离信息；
分别采样0°，90°，180°，270的四个点，得到四相采样的结果：
其中A1,A2,A3,A4分别为四个相位收集到的电子数，所以得到相位φ为：
据上式就可以通过计算出的相位得出距离信息。
在实际中，以0°，90°，180°，270°四个点为起点开始积分，积分的时间为正弦信号的半个周期，接着，在传感器模型中加入噪声：散粒噪声是具有泊松分布规律的量子涨落噪声，针对散粒噪声而言，设一个像素在光照之后产生N个电子，然后输出一个信号，那么该信号中包含的随机噪声会服从泊松分布～(0，N)，信号的值越大，信号的信噪比越高，反之越低，以这样的规律在模型中加入以积分得到的电子数N为均值的泊松分布随机数作为散粒噪声以及以10个电子为方差的标准正态分布的随机数作为读出电路噪声，这样来模拟光源等因素对散粒噪声以及成像的影响。
本发明的特点及有益效果是：
基于phong式光照模型的TOF噪声分析模型相比于传统的朗伯式光照模型能更为精确的模拟出光从光源发出后到达传感器所经历的反射和折射，从而得到光衰减的比例，以及对传感器成像所带来的影响。
附图说明：
图1传统的朗伯光照模型。
图2加入镜面反射的phong式光照模型。
图3由模型得到的传感器散粒噪声影响图。
具体实施方式
本发明提出的技术方案如下：
(1)第一部分为光源模型，模拟了光线从光源发出打到物体的实际效果，采用如下公式：
Ib＝I0·fD·cosα
其中I0为光源峰值发光强度，Ib为光源发射出的总光强，fD为自定义的距离衰减因数，α为出射光线与法线的夹角，并将得到的光信号传递至下一级光照模型中；
(2)第二部分是基于phong式的光照模型，其主要由三部分组成，一部分是环境光Ie,第二部分是漫反射光强Id，第三部分是镜面反射光强Is，其中
Ie＝Ia·Ka
Id＝Ip·Kd·(L·N)
Is＝Ip·Ks·(V·R)n
其中Ia为环境光强度，Ka为环境光散射强度，Ip为点光源光强，Kd为漫反射强度，L为点光源光线入射矢量，N为法线矢量，Ks为镜面反射强度，V为观察者角度矢量，R为镜面反射矢量，n为镜面反射系数，与表面粗糙度有关，n越大则表面越光滑，镜面反射强度随反射角的增大衰减也越快，另外总的光强公式里在漫反射和镜面反射强度前还有个系数fD为光线随距离衰减系数，公式为
其中D为距离，a0,a1,a2分别为常数项，一次项，二次项的加权系数；
那么总光强I表达式为
其中Ii为多个光源情况下，第i个光源的发光强度，本模型中在phong模型的基础上加入了时间参数t，使得可以得到光线随时间变化的衰减程度；并且去掉了phong模型中的环境光成分Ie，因为环境光为可见光，而点光源发出的为不可见光，这二者对噪声影响不同；并且加入了加和使得可以模拟出多个点光源情况下，距离因素对传感器成像的影响。
(3)第三部分是传感器模型，基于正弦调制的TOF主要是通过检测发射的信号和反射回来的信号之间的相位差φ来计算距离，如下式所示，其中f为调制频率。
为了获得接收光与发射光的相位差，或者说是获得接收光的相位信息，需要对接收光进行采样四个点。
设发射的正弦波为：
S(t)＝Asin(wt)
其中A是振幅，w是角频率。
接收光为
其中Ar是经过反射之后衰减的振幅，φ是相位差，B是背景光的信号。通过采样计算出相位差从而获得距离信息。
分别采样0°，90°，180°，270的四个点。得到四相采样的结果：
其中A1,A2,A3,A4分别为四个相位收集到的电子数，显然可以得到相位φ为：
据上式就可以通过计算出的相位得出距离信息。然而在实际中，接收光照射到图像传感器上，产生光生电荷，无法通过光生电荷直接获得采样获得正弦波各个点的数值。只有采用对光生电荷进行积分的方法从而进行采样，，以0°，90°，180°，270°四个点为起点开始积分，积分的时间为正弦信号的半个周期。接着，在传感器模型中加入噪声：散粒噪声是具有泊松分布规律的量子涨落噪声，针对散粒噪声而言，设一个像素在光照之后产生N个电子，然后输出一个信号，那么该信号中包含的随机噪声会服从泊松分布～(0，N)。信号的值越大，信号的信噪比越高，反之越低，以这样的规律在模型中加入以积分得到的电子数N为均值的泊松分布随机数作为散粒噪声以及以10个电子为方差的标准正态分布的随机数作为读出电路噪声，这样来模拟光源等因素对散粒噪声以及成像的影响。
同时，传感器模型中将第二级传递过来的环境可见光信号与红外光信号分开，分别产生泊松分布随机数以作为可见光散粒噪声和红外光散粒噪声。
从图1和图2的对比中可以看出，传统的朗伯模型并没有加入镜面反射，使得光线衰减减小，对最后的结果会有一定影响，而基于phong式光照模型加入了镜面反射后，与实际光线衰减相符合，使得此模型更为贴合实际情况，对噪声影响能更为精确的预测。
Phong光照模型是真实图形学中提出的第一个有影响的光照明模型，该模型只考虑物体对直接光照的反射作用，认为环境光是常量，没有考虑物体之间相互的反射光，物体间的反射光只用环境光表示。Phong光照模型属于简单光照模型。
TOF是Time of flight的简写，直译为飞行时间的意思。所谓飞行时间法3D成像，是通过给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。
其中，漫反射强度Kd和镜面反射强度Ks是和为1的关系，一般来说越是光滑的物体表面，镜面反射越强，则Ks越大，反之亦然；而环境光反射强度Ka则一般取0.2左右，而环境光强度Ia则是点光源光强Ip的0.02～0.2之间；并且由于光强随着距离衰减较严重，则可取距离衰减因数fD较大，这样更为符合实际情况。

Claims (2)

1.一种phong式光照模型的TOF传感器模型的测距方法，其特征是，步骤如下：
(1)第一部分为光源模型，模拟了光线从光源发出打到物体的实际效果，采用如下公式：
Ib＝I0·fD·cosα
其中I0为光源峰值发光强度，Ib为光源发射出的总光强，fD为自定义的距离衰减因数，α为出射光线与法线的夹角，并将得到的光信号传递至下一级光照模型中；
(2)第二部分是基于phong式的光照模型，其主要由三部分组成，一部分是环境光Ie，第二部分是漫反射光强Id，第三部分是镜面反射光强Is，其中
Ie＝Ia·Ka
Id＝Ip·Kd·(L·N)
Is＝Ip·Ks·(V·R)n
其中Ia为环境光强度，Ka为环境光散射强度，Ip为点光源光强，Kd为漫反射强度，L为点光源光线入射矢量，N为法线矢量，Ks为镜面反射强度，V为观察者角度矢量，R为镜面反射矢量，n为镜面反射系数，与表面粗糙度有关，n越大则表面越光滑，镜面反射强度随反射角的增大衰减也越快，另外总的光强公式里在漫反射和镜面反射强度前还有个系数fD为光线随距离衰减系数，公式为
其中D为距离，a0,a1,a2分别为常数项，一次项，二次项的加权系数，总光强I表达式为
其中Ii为多个光源情况下，第i个光源的发光强度，在phong模型的基础上加入时间参数t，从而得到光线随时间变化的衰减程度；并且去掉了phong模型中的环境光成分Ie；
并且加入了加和使得可以模拟出多个点光源情况下，距离因素对传感器成像的影响；
(3)第三部分是传感器模型，基于正弦调制的TOF主要是通过检测发射的信号和反射回来的信号之间的相位差φ来计算距离，如下式所示，其中f为调制频率；
为了获得接收光与发射光的相位差，或者说是获得接收光的相位信息，需要对接收光进行采样四个点，设发射的正弦波为：
S(t)＝Asin(wt)
其中A是振幅，w是角频率，接收光为
其中Ar是经过反射之后衰减的振幅，φ是相位差，B是背景光的信号，通过采样计算出相位差从而获得距离信息；
分别采样0°，90°，180°，270的四个点，得到四相采样的结果：
其中A1,A2,A3,A4分别为四个相位收集到的电子数，所以得到相位φ为：
据上式通过计算出的相位得出距离信息。
2.如权利要求1所述的phong式光照模型的TOF传感器模型的测距方法，其特征是，在实际中，以0°，90°，180°，270°四个点为起点开始积分，积分的时间为正弦信号的半个周期，接着，在传感器模型中加入噪声：散粒噪声是具有泊松分布规律的量子涨落噪声，针对散粒噪声而言，设一个像素在光照之后产生N个电子，然后输出一个信号，那么该信号中包含的随机噪声会服从泊松分布～(0，N)，信号的值越大，信号的信噪比越高，反之越低，以这样的规律在模型中加入以积分得到的电子数N为均值的泊松分布随机数作为散粒噪声以及以10个电子为方差的标准正态分布的随机数作为读出电路噪声，这样来模拟光源等因素对散粒噪声以及成像的影响。
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