CN111273505A - 结构光成像*** - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种结构光成像***，投射装置引入聚合物液晶技术，采用基于聚合物液晶技术的电控光元件，使投射装置投射结构光或平面光，当投射装置处于散斑模式下，经光学衍射元件射出的红外光不会受到电控光元件的影响，投射装置投射结构光，结构光是一种散斑图案；当投射装置处于红外模式下，经光学衍射元件射出的红外光经电控光元件得到扩散，投射装置投射平面光，以此取代现有技术中的泛光发射元件，节省了投射装置的整体空间和成本。同时引入RGB‑IR传感器，取代现有技术中RGB传感器和IR传感器，节省了图像采集装置的整体空间和成本，进而节省了结构光成像***的整体空间和成本。

Description

结构光成像***
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，更具体地，涉及结构光成像***。
背景技术
目前，随着人类科学技术的不断发展，在计算机视觉***中，三维场景信息为图像分割、目标检测、物体跟踪等计算机视觉应用提供了更多的可能性。
与二维图像相比，深度图像具有物体的三维特征信息，即深度信息。而基于结构光成像技术的深度成像***，近年来得到广泛的关注，其技术被应用于电视、机器人、移动设备等设备上以实现3D建模、避障以及人脸识别等功能。因此，利用同时能获取彩色影像和深度信息的成像***，实现被测物体的检测和识别，已成为计算机视觉领域的一个新的热点。
但是，目前基于结构光成像技术的深度成像***，无论采用单目结构光还是双目结构光，成像***均面临结构不紧凑，体积大，成本高的技术问题。
发明内容
为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供了一种结构光成像***。
本发明实施例提供了一种结构光成像***，包括：投射装置、图像采集装置和图像重构装置，所述图像采集装置与所述图像重构装置通信连接；其中，
所述投射装置包括红外发射光源、准直透镜、光学衍射元件和基于聚合物液晶技术的电控光元件，所述红外发射光源用于产生红外光，所述红外光依次经所述准直透镜、所述光学衍射元件和所述电控光元件后，形成结构光或平面光，并投射至被测物体上；
所述图像采集装置用于采集所述被测物体上的结构光影像数据，并将采集到的结构光影像数据传输至所述图像重构装置；
所述图像重构装置用于根据接收到的结构光影像数据进行深度计算，确定所述被测物体的三维信息。
优选地，所述电控光元件具体为电控光扩散片。
优选地，所述图像采集装置具体包括RGB-IR传感器。
优选地，所述图像采集装置还用于采集所述被测物体上的彩色影像数据。
优选地，所述红外发射光源具体为垂直腔面发射激光器。
优选地，所述结构光具体包括散斑图案结构光。
本发明实施例提供的一种结构光成像***，投射装置引入聚合物液晶技术，采用基于聚合物液晶技术的电控光元件，使投射装置投射结构光或平面光，当投射装置处于散斑模式下，经光学衍射元件射出的红外光不会受到电控光元件的影响，投射装置投射结构光，结构光是一种散斑图案；当投射装置处于红外模式下，经光学衍射元件射出的红外光经电控光元件得到扩散，投射装置投射平面光，以此取代现有技术中的泛光发射元件，节省了投射装置的整体空间和成本，进而节省了结构光成像***的整体空间和成本。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种结构光成像***的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由于现有的结构光成像***涉及较多的硬件部分，需要红外发射器、红外接收摄像头、可见光摄像头以及图像处理芯片四大部分的协同合作，红外光的发射与接收之间的匹配对整个成像***的准确度和响应速度至关重要。为了帮助红外接收镜头能够获取到红外数据，一般在***设计上还需集成一个泛光发射元件，作用是放出红外光。目前，单目结构光成像***方案除了包括上述四个大部分外，还需集成泛光发射元件。同理双目结构光成像方案在单目结构光的基础上，还需增添红外接受镜头和可见光镜头。因此，当前结构光成像***无论是采用单目结构光还是双目结构光，投射模组、采集相机之间或多个采集相机之间的物体尺寸较大，仍面临结构不紧凑，体积大，成本高的技术问题。因此本发明实施例中提供了一种结构光成像***。
如图1所示，本发明实施例提供了一种结构光成像***，包括：投射装置1、图像采集装置2和图像重构装置3，图像采集装置2与图像重构装置3通信连接；其中，
投射装置1包括红外发射光源11、准直透镜12、光学衍射元件(DiffractiveOptical Elements，DOE)13和基于聚合物液晶技术的电控光元件14，红外发射光源11用于产生红外光，红外光依次经准直透镜12、光学衍射元件13和电控光元件14后，形成结构光或平面光，并投射至被测物体4上；
图像采集装置2用于采集被测物体4上的结构光影像数据，并将采集到的结构光影像数据传输至图像重构装置3；
图像重构装置3用于根据接收到的结构光影像数据进行深度计算，确定所述被测物体的三维信息。
具体地，本发明实施例中提供的结构光成像***，具体包括：投射装置1、图像采集装置2和图像重构装置3。其中，投射装置1用于产生结构光并将产生的结构光投射至被测物体4表面，以对被测物体4进行成像；图像采集装置2用于采集被测物体4表面的结构光影像数据，即采集经被测物体4表面反射或散射的结构光影像数据，图像采集装置2还用于采集被测物体4表面的平面光影像数据；图像重构装置3用于根据接收到的结构光影像数据进行深度计算，确定被测物体的三维信息，即确定被测物体的三维坐标信息(x，y，z)。
本发明实施例中，结构光是指可以投射到被测物体表面的主动结构信息，如条纹、格雷码、散斑等。结构光简单的说就是有结构的光，结构光具体包括点结构光，线结构光以及面结构光等。
投射装置1具体包括红外发射光源11、准直透镜12、光学衍射元件13和基于聚合物液晶技术的电控光元件14，红外发射光源11用于产生不可见的红外光，具体可以是红外发光二极管(Light Emmiting Diode，LED)、边缘发射激光器(Edge Emitting Lasers，EEL)以及垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)等。本发明实施例中红外发射光源11产生的红外光经准直透镜12进行准直校准，然后通过光学衍射元件13散射形成散斑光线，最后通过基于聚合物液晶技术的电控光元件14，根据电控光元件14的不同状态，得到所需的结构光或平面光。
本发明实施例中采用基于聚合物液晶(Ploymer Liquid Crystal，PLC)技术的电控光元件，具体是指采用聚合物液晶材料制作的电控光元件，利用聚合物液晶材料的属性，通过电控制实现不同的作用。聚合物液晶材料具备极高的光学透明性、较快的响应速度以及温度范围宽广，可以应用在3D模组以及相关的拓展应用上，可以替代泛光源，节省器件整体空间以及成本。聚合物液晶材料具有透明态和扩散态，两种状态可以通过电控制实现切换，当聚合物液晶材料处于透明态时，光线穿过后，在不同的视角下都可以正常看到对面的物体，入射光线和出射光线的角度保持一致没有发生改变；此时投射装置处于散斑模式，即经光学衍射元件射出的散斑光线经过电控光元件后不会受到影响，使投射装置投射出一个散斑图案。也就是说，投射装置形成的结构光具体可以包括散斑图案结构光。当聚合物液晶材料处于扩散态时，光线穿过后，经过液晶的扩散，即角度被放大，从而实现对物体的遮蔽，或者将入射的点光源变成光强均匀分布的平面光源；此时投射装置处于红外模式，即经光学衍射元件射出的散斑光线经过电控光元件后会进一步扩散，使投射装置投射出一个均匀分布的平面光。
红外光依次经准直透镜12、光学衍射元件13和电控光元件14后，即可形成结构光或平面光，并投射至被测物体4表面。被测物体4表面对结构光或平面光进行反射，并由图像采集装置2进行采集。需要说明的是，图像采集装置2采集的结构光或平面光均是不可见的红外光。当光照充足的环境条件下，例如白天，由于环境光的存在，图像采集装置2不仅能够采集到红外影像数据，即包括结构光影像数据或平面光影像数据，还可以采集到环境光影像数据，即RGB彩色影像数据，且会一同传输至图像重构装置3。当光照不充足的环境条件下，例如夜晚，图像采集装置2仅能够采集到红外影像数据。因此，图像采集装置2需要既具有采集红外影像数据的功能，还具有采集RGB彩色影像数据的功能。
最后，通过图像重构装置3根据接收到的结构光影像数据进行深度计算，实现三维图像重构，图像重构装置3可以包括：处理器，用于对结构光影像数据进行处理。具体的处理方式可以是采用算法对结构光影像数据进行处理，例如散斑影像预处理、匹配代价计算、确定视差数据、视差数据转换成深度数据，进而确定出被测物体的深度信息。处理器还用于根据RGB影像数据分析被测物体的二维彩色特征。
在此基础上，图像重构装置3还包括显示器，用于对重构后的三维图像进行显示。需要说明的是，本发明实施例中图像重构装置3的功能实现均可采用现有技术实现，本发明实施例中对此不再赘述。
本发明实施例中提供的结构光成像***，投射装置引入聚合物液晶技术，采用基于聚合物液晶技术的电控光元件，使投射装置投射结构光或平面光，当投射装置处于散斑模式下，经光学衍射元件射出的红外光不会受到电控光元件的影响，投射装置投射结构光，结构光是一个散斑图案；当投射装置处于红外模式下，经光学衍射元件射出的红外光经电控光元件得到扩散，投射装置投射平面光，以此取代现有技术中的泛光发射元件，节省了投射装置的整体空间和成本。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的结构光成像***，所述电控光元件具体为电控光扩散片。
具体地，本发明实施例中提供的电控光元件具体可以是基于聚合物液晶技术的电控光扩散片，采用的聚合物液晶材料具体可以是聚合物分散液晶(Ploymer DispersedLiquid Crystal，PDLC)或聚合物网络液晶(Ploymer Network Liquid Crystal，PNLC)等。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的结构光成像***，所述图像采集装置具体包括RGB-IR传感器。
具体地，本发明实施例中，图像采集装置具体可以引入RGB-IR技术，在一个传感器内集成白天彩色成像和夜间近红外成像的能力，采用集成有采集RGB影像数据以及红外(Infrared Radiation，IR)影像数据功能的RGB-IR传感器，可以同时拍摄及处理彩色(RGB)影像数据和红外(IR)影像数据。本发明实施例中，采用一个摄像头取代现有技术中RGB摄像头和IR摄像头，即可解决高品质日夜成像问题，可在所有照明条件下提供业界最佳表现和高灵敏度，而且可以减小图像采集装置的整体空间和成本，进一步减小结构光成像***的整体空间和成本。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的结构光成像***，所述红外发射光源具体为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)，以砷化镓半导体材料为基础，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点。VCSEL波长主要为940nm。
综上所述，本发明实施例中提供的结构光成像***，同目前广泛应用的结构光成像***方案相比，该方案分别对投射装置和图像采集装置进行改进，减少器件的数量、降低了成本、简化了结构光成像***的设计，使得最终的深度相机模组具有体积小、成本低、结构紧凑等特点，可以在手机、电脑等移动设备上得到更广泛的应用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种结构光成像***，其特征在于，包括：投射装置、图像采集装置和图像重构装置，所述图像采集装置与所述图像重构装置通信连接；其中，
所述投射装置包括红外发射光源、准直透镜、光学衍射元件和基于聚合物液晶技术的电控光元件，所述红外发射光源用于产生红外光，所述红外光依次经所述准直透镜、所述光学衍射元件和所述电控光元件后，形成结构光或平面光，并投射至被测物体上；
所述图像采集装置用于采集所述被测物体上的结构光影像数据，并将采集到的结构光影像数据传输至所述图像重构装置；
所述图像重构装置用于根据接收到的结构光影像数据进行深度计算，确定所述被测物体的三维信息。
2.根据权利要求1所述的结构光成像***，其特征在于，所述电控光元件具体为电控光扩散片。
3.根据权利要求1所述的结构光成像***，其特征在于，所述图像采集装置具体包括RGB-IR传感器。
4.根据权利要求3所述的结构光成像***，其特征在于，所述图像采集装置还用于采集所述被测物体上的彩色影像数据。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的结构光成像***，其特征在于，所述红外发射光源具体为垂直腔面发射激光器。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的结构光成像***，其特征在于，所述结构光具体包括散斑图案结构光。
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