CN109903719A - 一种时空编码的结构光编码图案生成方法及装置 - Google Patents

一种时空编码的结构光编码图案生成方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种时空编码的结构光编码图案生成方法及装置，该方法基于规则发光点阵，通过驱动不同的发光点，分时输出不同的编码图案，对目标物体或投射空间进行时空标记，该方法有效地解决了现有技术中，在需要投射多幅图案进行时空标记的情况下，需要多个投射器分时投射不同图案的局限性，本方法通过驱动发光基板上不同的发光元件，组成不同的编码图案，利用分时输出技术，只需一个投射器便可完成对物体的时空标记，并结合时空深度解码算法可大幅提高三维深度测量的精度和鲁棒性。

Description

一种时空编码的结构光编码图案生成方法及装置
技术领域
本发明涉及计算机视觉、深度感知、三维重建技术领域，具体涉及一种主动视觉深度感知技术中结构光编码图案生成方法和装置。
背景技术
深度感知技术用于感知空间物体的形状和距离信息，是计算机视觉领域研究和应用开发的热点方向。相比双目立体摄像头，基于结构光的主动视觉深度感知技术可以较为准确地获取图像的深度信息，其获取的深度图信息具有更稳定可靠、不受环境光影响、立体匹配过程简单、算法计算量小等优势。专利CN103824318B一种多摄像头阵列的深度感知方法，专利申请CN105120257A一种基于结构光编码的垂直深度感知装置，专利CN103796004B一种主动结构光的双目深度感知方法都涉及到基于结构光的主动视觉深度感知技术，其中都利用了激光图形投射器或者其他编码图案投射器投射固定的编码图案，对空间进行结构光编码，进而利用该编码信息进行深度计算。但是上述专利中的编码图案投射器投射出的编码图案一般都是固定的，往往是通过发出的激光束，经干涉成像和物体表面漫反射形成散斑图案。
现行的编码图案投射器制造方法成本很高，且在结构光编码技术中，针对不同的应用场景，需要设计不同的编码图案，又极大地增加了深度感知设备的研发成本。此外，编码图案投射器所设计的编码图案会直接影响深度解码计算的复杂度及深度信息的精度和分辨率。另外，用多幅编码图案对空间进行时空标记过程中，需要用到多个投射装置，多个设备之间的标定不仅增加了算法复杂性，而且也严重影响设备的鲁棒性。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种时空编码的结构光编码图案生成方法及装置，基于规则发光点阵，通过驱动不同的发光点，分时输出不同的编码图案，对目标物体或投射空间进行时空标记，结合时空深度解码算法可大幅提高三维深度测量的精度和鲁棒性。
为实现以上发明目的，本发明提供了一种时空编码的结构光编码图案生成方法，该方法包括以下步骤：
S1、设计一定大小的规则发光点阵；
S2、依据编码规则对步骤S1中的规则发光点阵中的发光颗粒元件进行编码，生成编码图案；
S3、对步骤S2生成的编码图案进行窗口唯一性分析，如达到窗口唯一性分布的要求，则生成最终的编码图案；如未能达到，则重复执行步骤S2-S3，直到达到窗口唯一性分布的要求，生成最终的编码图案。
此外，本发明还提供了一种时空编码的结构光编码图案生成装置，所述装置包括发光基板(11)、准直镜(13)、驱动模块(15)和显示控制模块(16)，
所述发光基板(11)上分布着规则排列的多个发光颗粒元件(12)；
所述准直镜(13)对发光基板(11)上所有的发光颗粒元件发射的光线进行准直处理；
所述驱动模块(15)用于在X-Y轴方向恒流驱动发光基板(11)上规则排列的发光颗粒元件(12)；
所述显示控制模块(16)依据编码规则，选择符合所述编码规则的发光颗粒元件(12)并通知驱动模块(15)对所述被选择的发光颗粒元件进行驱动显示。
本发明提出的时空编码的结构光编码图案生成方法通过驱动规则发光点阵上不同的发光点，分时输出不同的编码图案，对目标物体或投射空间进行时空标记，最后通过深度解码算法完成物体的三维深度测量。该方法有效地解决了现有技术中，在需要投射多幅图案的时空标记的情况下，需要多个投射器分时投射不同图案的局限性。本方法通过驱动发光基板上不同的发光元件，组成不同的编码图案，利用分时输出技术，只需一个投射器便可完成对物体的时空标记。并且该方法通过时空编码和深度解码算法，大大提高三维深度测量的精度和鲁棒性。
附图说明
图1是本发明的一种时空编码的结构光图案生成装置的结构示意图；
图2是本发明的一种时空编码的结构光图案生成方法的流程图；
图3(a)是本发明发光基板上规则发光点阵排列的一种实施示意图；
图3(b)是本发明发光基板上规则发光点阵排列的另一种实施示意图；
图4(a)是本发明依据编码规则对发光点阵上的发光颗粒元件进行编码的一种实施示意图；
图4(b)是本发明依图4(a)所示的编码规则生成的投射后的编码图案示意图；
图5(a)是本发明依据编码规则对发光点阵上的发光颗粒元件进行编码的第二种实施示意图；
图5(b)是本发明依图5(a)所示的编码规则生成的投射后的编码图案示意图；
图6(a)是本发明依据编码规则对发光点阵上的发光颗粒元件进行编码的第三种实施示意图；
图6(b)是本发明依图6(a)所示的编码规则生成的投射后的编码图案示意图；
图7是本发明由发光基板上生成的编码图案经错行阵列方式拼接扩充的实施方式示意图；
图8(a)是本发明由发光基板上生成的编码图案经旋转阵列方式拼接扩充前的实施方式示意图；
图8(b)是本发明由发光基板上生成的编码图案经旋转阵列方式拼接扩充后的实施方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-8对本发明提供的方法和装置进行进一步的详细说明。
本发明公开了一种时空编码的结构光编码图案生成方法，如图1所示，该方法通过在发光基板11上设计一定形状的规则发光点阵，按照编码规则通过显示控制模块16驱动部分发光颗粒元件12，形成编码图案，并将编码图案经准直镜13直接投射或者再经过衍射光学器件DOE14复制排列拼接后投射到空间物体表面，用于空间标记，然后对不同距离下编码图案的形变情况进行解码分析，完成对空间物体的三维深度测量。
其中：
所述发光基板11上分布着规则排列的多个发光颗粒元件12，发光颗粒元件的个数为整数个(2、3、4.....k个)，发光颗粒元件12之间等间距排列，排列密度可变。该发光颗粒元件可以是垂直腔面发射激光器Vertical Cavity Surface Emitting Laser(VCSEL)、激光二极管Laser Diode(LD)发光源或LED发光源。
所述驱动模块15用于在X-Y轴方向恒流驱动发光基板11上规则排列的发光颗粒元件12，既可以选择只驱动部分发光颗粒元件，也可以通过调节电流大小改变每个发光颗粒元件的发光强度，形成灰度阶层。
所述显示控制模块16依据编码规则，选择部分符合当前帧编码规则的发光颗粒元件12并通知所述驱动模块15对这批被选择的发光颗粒元件12进行驱动显示。所述显示控制模块16可以依据编码规则，分多帧进行显示控制。编码规则可由外部处理器通过标准接口下达。
所述编码规则可以是空间编码方法，即用一幅固定的结构光编码图案完成物体的空间标记，包括符合窗口唯一性的激光随机散斑点编码，规格符号阵列构成的M阵列编码；也可以是时空编码方法，即用一组结构光编码图案依次分时投射到物体表面，完成物体的时空标记，包括黑白条纹结构光、彩色条纹结构光、相移结构光等。
所述准直镜13对发光基板11上所有发光颗粒元件发射的光线进行准直处理，即，使发射出的光线平行射出或按一定的景深范围进行对焦。所述的准直镜大小应与发光基板11的发光区域大小紧密结合。
在另一个实施例中，还可以增加一衍射光学器件DOE，所述衍射光学器件DOE 14对发光基板11发射的编码图案进行复制排列，比如m*n块，其中m、n都是1、2、3.....自然数。DOE将确保所复制的各块编码图案经拼接后，在对比度、亮度、均匀性、畸变状况确保较为一致。
下面结合附图1和2，具体说明本发明的时空编码的结构光编码图案生成方法的具体实施例，详细步骤如下：
S1、设计一定大小的规则发光点阵。
所述规则发光点阵可以设计成正方形、长方形，也可以设计成三角形、圆形等形状；示例性地，如图3(a)-(b)所示，将规则发光点阵设计成正方形或圆形排布。
S2、依据编码规则对规则发光点阵中的发光颗粒元件进行编码，生成编码图案。
该发光颗粒元件可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL)、LD发光源或LED发光源。
所述编码规则可以是空间编码方法，即用一幅固定的结构光编码图案完成物体的空间标记，包括符合窗口唯一性的激光随机散斑点编码，规格符号阵列构成的M阵列编码；也可以是时空编码方法，即用一组结构光编码图案依次分时投射到物体表面，完成物体的时空标记，包括黑白条纹结构光、彩色条纹结构光、相移结构光等。
可以利用随机数组生成函数生成一组随机数组，大小与规则发光点阵相同，数组中只有0、1两个元素，0表示不点亮该位置的发光颗粒元件，1表示点亮该位置的发光颗粒元件，最后的发光颗粒元件编码显示结果如图4(a)、图5(a)和图6(a)所示。最后生成的编码图案如图4(b)、图5(b)和图6(b)所示。
S3、对步骤S2生成的编码图案进行窗口唯一性分析，即判断生成的编码图案是否达到窗口唯一性分布的要求；如达到窗口唯一性分布的要求，则生成最终的编码图案；如未能达到，则重复执行步骤S2-S3，直到达到窗口唯一性分布的要求，生成最终的编码图案。
所述窗口唯一性分布是指在结构光编码图案的一定搜索范围(r×v阵列)内(其中r、v为正整数)，所有k1×k2的子矩阵组成的编码图案块只出现一次(其中k1、k2为正整数且k1＜r、k2＜v)，即该编码图案块是唯一的，可与其它同样大小的编码图案块区别开来。
在另一个实施例中，该方法可以进一步包括：
S4、将步骤S3最终生成的编码图案直接投射或者经过复制排列拼接后投射到空间物体表面，完成物体的三维深度测量。
所述复制排列拼接是将步骤S3中由发光基板上生成的编码图案拼接扩充，具体方法包括错行阵列方式、阵列旋转方式等。
错行阵列方式，具体如图7所示，每一块(1.1、1.2、1.3……)表示发光颗粒元件被驱动后产生的编码图案，每一列的编码图案跟其左右相连的那列编码图案在垂直方向上可以台阶式相差一定数量的行，例如相差编码图案高度的一半或设定为n行(n为正整数)。
阵列旋转方式，具体如图8(a)-(b)所示。图8(a)是旋转前的编码图案阵列，图8(b)是旋转后的编码图案阵列，可以按顺时针或逆时针方向旋转θ角，其角度可根据后续窗口唯一性判别准则和根据测距范围所要求的搜索范围来设定。
通过上述步骤S4，从而该方法生成的结构光编码图案可以应用于三维深度测量。
另一个实施例中，基于上述实施例公开的方法，本发明还提出了一种时空编码的结构光编码图案生成装置，如图1所示，其特征在于：该装置10包括发光基板11、准直镜13、驱动模块15和显示控制模块16。
其中：
所述发光基板11上分布着规则排列的多个发光颗粒元件12，发光颗粒元件12的个数为整数个(2、3、4.....k个)，发光颗粒元件12之间等间距排列，排列密度可变。该发光颗粒元件可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL)、LD发光源或LED发光源。
所述驱动模块15用于在X-Y轴方向恒流驱动发光基板11上规则排布的发光颗粒元件12，既可以选择只驱动部分发光颗粒元件，也可以通过调节电流大小来改变每个颗粒元件的发光强度，形成灰度阶层。
所述显示控制模块16依据编码规则，选择部分符合当前帧编码规则的发光颗粒元件12并通知驱动模块15对这批被选择的发光颗粒元件进行驱动显示，生成编码图案；所述显示控制模块16，可以依据编码规则，分多帧进行显示控制。编码规则可由外部处理器通过标准接口下达。
所述准直镜13对发光基板11上所有发光颗粒元件12发射的光线进行准直处理，即使光源发射的光线平行射出或按一定的景深范围进行对焦。所述的准直镜大小应与发光基板的发光区域大小紧密结合。
在另一个实施例中，所述结构光编码图案生成装置还可以进一步包括一衍射光学器件DOE 14，所述衍射光学器件DOE 14对发光基板11发射的编码图案进行复制排列，比如m*n块，其中m、n都是1、2、3.....自然数。DOE将确保所复制的各块编码图案经拼接后，在对比度、亮度、均匀性、畸变状况确保较为一致。
就上述实施例而言，该装置的基本功能在于：显示控制模块16根据外部处理器下达的编码规则，通过驱动模块15对发光基板11上规则排列的发光颗粒元件12的开关和/或发光强度进行恒流驱动控制，从而生成不同形状的编码图案，编码图案中的发光颗粒元件被点亮后形成的发光点(或称激光散斑点)经准直镜13汇聚后形成能量更集中、特征更明显的散斑点，进一步地，该散斑点组成的编码图案经光学衍射器件DOE复制排列并进一步拼接后，对目标物体或投射空间进行时空标记。
优选的，所述发光基板11的形状可以设计成正方形、长方形，也可以设计成三角形、圆形等形状；示例性地，如图3(a)-(b)所示，将发光基板11设计成正方形或圆形。
优选的，所述发光颗粒元件12均匀且规则的排列在发光基板11上，如图2所示，发光颗粒元件12可以为孔径为d的圆形发光颗粒，以两两相邻中心间距为s的规则，均匀分布在正方形和圆形的发光基板11上，分布密度可变。
优选的，所述显示控制模块16可以通过X-Y方向驱动电路对单个发光颗粒元件分别进行控制，即每个发光颗粒元件都有对应的开关信号和电流强度信号；也可以对多个发光颗粒元件进行统一控制，即同一组中的多个发光颗粒元件只有一个开关信号和电流强度信号，多个发光颗粒元件或者同时点亮或者同时熄灭。
优选的，所述显示控制模块16包含外部通信接口，用户通过外部通信接口控制发光基板11上每个发光颗粒元件的点亮、熄灭或者调节发光亮度，从而生成用户所设计的不同形状的编码图案。示例性说明，图4(a)-(b)为根据图3(a)发光基板上发光颗粒元件的分布情况和一组随机生成的二维数组(二维数组大小与发光颗粒的分布一一对应，该数组中只有0和1，0表示熄灭对应位置的发光颗粒，1表示点亮对应位置的发光颗粒)点亮的一幅随机散斑图案，黑色的圆点表示被点亮的发光颗粒元件。
优选地，所述显示控制模块16不仅可以控制投射一幅固定编码图案对空间物体进行标记，同时也可以控制多幅不同的编码图案分时输出，如图1中所示的编码图案21，编码图案22，编码图案23，可以实现多帧驱动部分发光颗粒，从而实现对目标物体或投射空间的时空标记。
本发明不仅支持不同种激光源产生的结构光模式，如红外、可见光、紫外线、不可见光等，也可使用不同形状发光颗粒的投射方案，如圆点状、块状、十字状、条纹状等的。因而在不脱离本发明的精神和范围内的修改和完善，均应包含在上述的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种时空编码的结构光编码图案生成方法，其特征在于：
该方法包括以下步骤：
S1、设计一定大小的规则发光点阵；
S2、依据编码规则对步骤S1中的规则发光点阵中的发光颗粒元件进行编码，生成编码图案；
S3、对步骤S2生成的编码图案进行窗口唯一性分析，如达到窗口唯一性分布的要求，则生成最终的编码图案；如未能达到，则重复执行步骤S2-S3，直到达到窗口唯一性分布的要求，生成最终的编码图案。
2.如权利要求1所述的生成方法，该方法进一步包括：优选的，
S4、将步骤S3最终生成的编码图案直接投射或者经过复制排列拼接后投射到空间物体表面，完成物体的三维深度测量。
3.如权利要求1或2所述的方法，
所述规则发光点阵设计成正方形，或长方形，或圆形，或三角形排布。
4.如权利要求1或2所述的方法，
所述编码规则是空间编码方法，或者是时空编码方法。
5.一种时空编码的结构光编码图案生成装置，其特征在于：
所述装置包括发光基板(11)、准直镜(13)、驱动模块(15)和显示控制模块(16)，
所述发光基板(11)上分布着规则排列的多个发光颗粒元件(12)；
所述驱动模块(15)用于在X-Y轴方向恒流驱动发光基板(11)上规则排列的发光颗粒元件(12)；
所述显示控制模块(16)依据编码规则，选择符合所述编码规则的发光颗粒元件(12)并通知驱动模块(15)对所述被选择的发光颗粒元件进行驱动显示；
所述准直镜(13)对发光基板(11)上所有的发光颗粒元件发射的光线进行准直处理。
6.如权利要求5所述的装置，该装置进一步包括：
一衍射光学器件DOE(14)，所述衍射光学器件DOE对发光基板(11)发射的编码图案进行复制排列并进一步拼接。
7.如权利要求5或6所述的装置，
所述发光基板的形状是正方形，或长方形，或圆形，或三角形。
8.如权利要求5或6所述的装置，
所述显示控制模块通过驱动模块对单个发光颗粒元件分别进行控制，每个发光颗粒元件都有对应的开关信号和电流强度信号，或者对多个发光颗粒进行统一控制，同一组中的多个发光颗粒只有一个开关信号和电流强度信号，同时点亮或者同时熄灭。
9.如权利要求5或6所述的装置，
所述显示控制模块包含外部通信接口，通过外部通信接口控制发光基板上每个发光颗粒元件的点亮、熄灭或者调节发光亮度，从而生成用户所设计的不同形状的编码图案。
10.如权利要求5或6所述的装置，
所述显示控制模块能够控制投射一幅固定编码图案对空间物体进行标记，也能够控制多幅不同的编码图案分时输出，从而实现对目标物体或投射空间的时空标记。
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