CN110986816A - 一种深度测量***及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深度测量***，包括：发射模组，用于发出光束；采集模组，包含图像传感器，接收目标物体反射回来的光束并形成电信号；控制与处理器，分别与发射模组和采集模组连接，以控制光束的发射与采集，基于采集模组采集的电信号计算光束的实际飞行距离Lt，并调用预先存储的标定数据以计算所述目标物体的深度值z。通过本发明深度测量***，可准确、快速地对深度进行测量，减小ToF深度测量的误差。

Description

一种深度测量***及其测量方法
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种深度测量***及其测量方法。
背景技术
飞行时间(Time of Flight，ToF)技术方案是通过发射模组发射激光脉冲到目标区域，然后通过采集模组的检测器接收从目标物体返回的回波信号，根据发射和接收光脉冲的时间差来计算目标区域的目标物体的深度值。ToF技术根据探测的原理不同主要分为直接飞行时间技术和间接飞行时间技术。在直接飞行时间技术中，采用诸如脉冲激光器朝向目标区域发射周期性的激光脉冲序列，经过目标区域反射后的回波信号被检测器接收到并进行处理，根据激光脉冲的发射时间与检测器检测到回波信号的飞行时间计算目标区域的距离，进而得到目标物体的深度值。
目前，测量光的飞行距离的方法都是假设发射模组的空间位置和接收模组的空间位置重合，从而计算出目标物体的深度值，这虽然大大降低了计算复杂度，但是这种计算方法必然会随被测物体的空间位置变化而造成深度测量***误差。因此期望提供一种准确、快速测量深度值的方法，以减小ToF深度测量***的误差。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种深度测量***及其测量方法，以解决上述背景技术问题中的至少一种。
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
一种深度测量***，包括：发射模组，用于发出光束；采集模组，包含有图像传感器，接收目标物体反射回来的光束并形成电信号；控制与处理器，分别与所述发射模组和所述采集模组连接，以控制光束的发射与采集，基于所述电信号计算光束的实际飞行距离Lt，并调用预先存储的标定数据以计算所述目标物体的深度值z；所述标定数据包括标定板上多个像素点的深度值z0和对应的实际飞行距离Lzo。
优选地，所述目标物体的深度值z可以根据下式计算获得：
Figure BDA0002240146200000021
其中fx和fy表示图像传感器在u轴和v轴方向上的尺度因子，(u0,v0)表示像素的基准点，(u,v)表示像素的二维坐标。
优选地，所述标定板与所述图像传感器的感光面位置平行，距离设置为z0+f，其中f是所述采集模组中成像透镜的焦距。
优选地，所述标定板为平整的白板。
本发明另一技术方案为:
一种深度测量方法，包括如下步骤：
获取目标物体的实际飞行距离Lt；
调用预先存储的标定数据以计算所述目标物体的深度值z；
其中，所述标定数据包括标定板上多个像素点的深度值z0和对应的实际飞行距离Lzo。
优选地，所述目标物体的深度值z可以根据下式计算获得：
Figure BDA0002240146200000031
其中fx和fy表示图像传感器在u轴和v轴方向上的尺度因子，(u0,v0)表示像素的基准点，(u,v)表示像素的二维坐标。
优选地，所述标定板与所述图像传感器的感光面位置平行，距离设置为z0+f，其中f是所述采集模组中成像透镜的焦距。
优选地，所述标定板为平整的白板。
本发明技术方案的有益效果是：
相较于现有技术，本发明深度测量***及其测量方法只需要一次标定，可准确、快速地对深度进行测量，减小ToF深度测量的误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明一个实施例深度测量***的示意图。
图2是根据本发明一个实施例深度测量***的物理模型示意图。
图3是根据本发明一个实施例深度测量***标定的示意图。
图4是根据本发明另一个实施例深度测量方法的流程图示。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的***、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是有线连接到另一个元件或无线连接至该另一个元件上，连接用于数据传输作用。
此外，在本发明的说明书、权利要求书及附图中的术语中涉及“第一”或“第二”等的描述仅用于区别类似的对象，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，也就是说，这些描述不必用于描述特定的顺序或先后次序。此外，应该理解这些描述在适当情况下可以互换，以便描述本发明的实施例。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
作为本发明一实施例，提供一种深度测量***，其可准确、快速地对深度进行测量，减小ToF深度测量的误差。
参照图1所示，图1所示为本发明实施例中深度测量***10的结构示意图。作为本发明一实施例，深度测量***10包括发射模组11、采集模组12以及控制与处理器13。其中，发射模组11包括光源(未示出)，用于向目标物体20发出光束，采集模组12包括有图像传感器121，用于接收经目标物体20反射回来的光束并形成电信号，控制与处理器13分别与发射模组11和采集模组12连接，以控制光束的发射与采集，基于采集模组12采集的电信号计算光束的实际飞行距离Lt并调用预先存储的标定数据以计算所述目标物体的深度值z；其中，该标定数据包括标定板上多个像素点的深度值z0和对应的实际飞行距离Lzo。
控制与处理器13根据公式
Figure BDA0002240146200000051
计算光的飞行距离，其中，c为光速，t为飞行时间，实际情况下，发射模组11与采集模组12在空间上是不重合的，因此，这种计算方法会产生误差。
在一个实施例中，发射模组11包括光源、图案化光学元件以及光源驱动器(图中未示出)等。其中，所述光源可以是发光二极管(LED)、边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)等光源，也可以是多个光源组成的光源阵列，光源所发射的光束可以是可见光、红外光、紫外光等，在本发明实施例中不作特别限定。
在一个实施例中，采集模组12包括图像传感器121、以及透镜单元(未图示)；在一些实施例中，还可以包含滤光片(未图示)。透镜单元接收并将由目标物体20反射回的至少部分光束成像在图像传感器121上。图像传感器121可以是电荷耦合元件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)、雪崩二极管(AD)、单光子雪崩二极管(SPAD)等组成的图像传感器。在一些实施例中，图像传感器121还连接有信号放大器、时数转换器(TDC)、模数转换器(ADC)等器件中的一种或多种组成的读出电路(图中未示出)。
图2为发明实施例深度测量***10的物理模型示意图。参照图2所示，以采集模组12的镜头光心O为原点，图像传感器121感光面的像素排列方向作为X、Y轴，光轴方向作为Z轴建立坐标系，图像传感器121的感光面与XOY面平行。光源设置在距离图像传感器121较近的位置，可以理解的是，光源的中心在XOZ面易对齐镜头中心O，因此光源的空间坐标可设为V(0,l,h)，从光源向目标物体20发出光束，目标物体20的空间坐标可设为D(x,y,z),采集模组12接收经目标物体20反射回来的光束，并成像在图像传感器121上产生一个像点，像点空间坐标可设为I(u,v)。通过深度测量***的物理模型得到实际飞行距离Lt和目标物体20的深度值的关系式：
Figure BDA0002240146200000061
其中，fx和fy表示图像传感器121在u轴和v轴方向上的尺度因子，(u0，v0)表示像素的基准点，(u，v)表示像素的二维坐标，z表示目标物体20的深度值，l、h分别表示光源中心的Y、Z坐标值。
控制与处理器13计算光的实际飞行距离Lt，根据上述公式可以计算目标物体20的深度值。在现有计算方法中为方便目标物体20的深度值z的计算，通常将测量深度的物理模型简化，即假设采集模组12与发射模组11在空间上重合，从而可以忽略l、h的大小。因此，在测量深度的物理模型简化情况下，简化飞行距离为：
Figure BDA0002240146200000062
此时对应的目标物体20的深度值z(u，v)的表达式：
Figure BDA0002240146200000063
可以理解的是，这样的计算方法更简单，但是简化飞行距离Ls(u，v，z)与实际光行距离Lt(u，v，z)会产生一个差值ΔL(u，v，z)，导致目标物体20的深度值计算产生误差，下面对减小深度测量***误差进行说明，其中：
ΔL(u，v，z)＝Ls(u，v，z)-Lt(u，v，z) (4)
根据公式(1)和公式(2)可以得到ΔL(u，v，z)的表达式：
Figure BDA0002240146200000064
由此可以得到各像素点对应的ΔL(u，v，z)，通过大量的仿真及实验，得出ΔL(u，v，z)在合适的l、h条件下可认为不随着z的变化而变化。
根据公式(3)和公式(4)可以得到目标物体20的深度值z(u，v)表达式：
Figure BDA0002240146200000071
由上式可知，要得到目标物体20的准确深度值z(u，v)，需要知道ΔL(u，v，z)，为了得到ΔL(u，v，z)，可以预先进行标定。以下参照图3对标定进行说明。
请参照图3所示，选取一个平整的白板30作为标定板，白板30与图像传感器121的感光面的位置平行，距离设置为z0+f，其中f是所述采集模组中成像透镜的焦距。发射模组11向白板30发出光束，采集模组12接收经白板30反射回来的光束，形成电信号，控制与处理器13基于该电信号计算出各像素点对应的光的飞行距离Lz0(u，v)，根据上述公式可以得到白板深度值的表达式为：
Figure BDA0002240146200000072
由公式(5)可得ΔL(u，v，z)＝ΔL(u，v，z0)。因此，根据公式(6)和公式(7)可得到目标物体20的深度值和白板30的深度值之差z1(u，v)的表达式：
z1(u，v)＝z(u，v)-z0(u，v) (8)
Figure BDA0002240146200000073
根据公式(8)和公式(9)可以得到目标物体20的深度值表达式：
Figure BDA0002240146200000074
其中，Lt是控制与处理器13计算的实际飞行距离，z0和对应的Lz0是***10预先存储的参数，如此，深度测量***10可以快速、准确地获得目标物体20的深度值z(u，v)。
图4为本申请一实施例中一种深度测量方法的流程图，包括如下步骤：
S401、获取目标物体的实际飞行距离Lt；
S402、调用预先存储的标定数据以计算所述目标物体的深度值z；
在步骤S402中，标定数据包括标定板上多个像素点的深度值z0和对应的实际飞行距离Lzo，获取标定数据步骤如下：
选取一个平整的白板30作为标定板，白板30与图像传感器121的感光面的位置平行，距离设置为z0+f，发射模组11向白板30发出光束，采集模组12接收经白板30反射回来的光束，并成像在图像传感器121上，通过控制与处理器13计算出各像素点对应的光飞行距离Lzo。
根据Lzo以及Lt计算目标物体的深度值z。具体地，根据前一实施例中公式(10)
Figure BDA0002240146200000081
调用预先存储的z0和对应的Lz0即可以计算出目标物体20的深度值z。其中fx和fy表示图像传感器在u轴和v轴方向上的尺度因子，(u0，v0)表示像素的基准点，(u，v)表示像素的二维坐标。
上述深度测量方法原理与前述实施例中深度测量***的原理相同，在此不再赘述。
可以理解的是，当将本发明的距离测距***嵌入装置或硬件中时会作出相应的结构或部件变化以适应需求，其本质仍然采用本发明的距离测距***，所以应当视为本发明的保护范围。以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
此外，本发明的范围不旨在限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将容易理解，可以利用执行与本文所述相应实施例基本相同功能或获得与本文所述实施例基本相同结果的目前存在的或稍后要开发的上述披露、过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其范围内。

Claims (8)

1.一种深度测量***，其特征在于，包括：
发射模组，用于发出光束；
采集模组，包含有图像传感器，接收目标物体反射回来的光束并形成电信号；
控制与处理器，分别与所述发射模组和所述采集模组连接，以控制光束的发射与采集，基于所述电信号计算光束的实际飞行距离Lt，并调用预先存储的标定数据以计算所述目标物体的深度值z；
所述标定数据包括标定板上多个像素点的深度值z0和对应的实际飞行距离Lzo。
2.如权利要求1所述的深度测量***，其特征在于，所述目标物体的深度值z可以根据下式计算获得：
Figure FDA0002240146190000011
其中fx和fy表示图像传感器在u轴和v轴方向上的尺度因子，(u0,v0)表示像素的基准点，(u,v)表示像素的二维坐标。
3.如权利要求2所述的深度测量***，其特征在于，所述标定板与所述图像传感器的感光面位置平行，距离设置为z0+f，其中f是所述采集模组中成像透镜的焦距。
4.如权利要求3所述的深度测量***，其特征在于，所述标定板为平整的白板。
5.一种深度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取目标物体的实际飞行距离Lt；
调用预先存储的标定数据以计算所述目标物体的深度值z；
其中，所述标定数据包括标定板上多个像素点的深度值z0和对应的实际飞行距离Lzo。
6.如权利要求5所述深度测量方法，其特征在于，所述目标物体的深度值z可以根据下式计算获得：
Figure FDA0002240146190000021
其中fx和fy表示图像传感器在u轴和v轴方向上的尺度因子，(u0,v0)表示像素的基准点，(u,v)表示像素的二维坐标。
7.如权利要求5所述的深度测量方法，其特征在于，所述标定板与所述图像传感器的感光面位置平行，距离设置为z0+f，其中f是所述采集模组中成像透镜的焦距。
8.如权利要求7所述的深度测量***，其特征在于，所述标定板为平整的白板。
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