CN113311451A - 一种激光散斑投射ToF深度感知方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种激光散斑投射ToF深度感知方法及装置，由激光散斑编码投射器通过时‑空编码方式向目标物体或被测空间进行主动照射相位调制过的散斑编码图案，ToF接收摄像头按相移法采集反射回来的相移散斑图像，混合深度解码模块分别采取ToF相移法和结构光编解码方法进行深度解码并融合后得到高精度的深度信息。该方法融合近距离结构光激光三角测距和中远距离ToF测距两者的优势，解决了不同距离高精度测量的难题，在抗强光干扰、ToF多径反射、吸收材质影响及近距离测距精度方面获得性能提升，在智能设备、无人车、机器人等领域具有广泛应用前景。
Description
技术领域
本公开属于深度传感器、机器视觉、激光散斑和ToF技术领域，特别涉及一种激光散斑投射ToF深度感知方法及装置。
背景技术
近年来三维深度感知设备开始进入人们的眼球，高精度的深度传感器作为一种新型的获取外界信息的媒介，有利于推动机器视觉的发展，实现机器人理解外部世界，同时也推动了人机交互的发展。深度感知技术大致可分为被动式和主动式。传统的双目立体视觉测距是一种被动式测距方法，其受环境光影响大、立体匹配过程复杂。主动式测距方法主要有结构光编码测距和ToF(飞行时间)测距两种方法。结构光编码测距法本质上属于激光三角测距，随着距离的增加，测距精度会急剧下降，比较适合近距离高精度测距。ToF深度相机通过计算发射激光的飞行时间获取对应像素的深度信息，一种是DToF(直接测量飞行时间)、另一种是IToF(间接ToF，通过相移法间接计算距离)。目前ToF相机获取的深度图像分辨率比较低，远距离测距精度下降少，适合用于中远距离测距。现有的测距方法无法解决不同距离高精度测量的难题。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提供了一种激光散斑投射ToF(Spot-ToF)深度感知装置，包括：激光散斑编码投射器、ToF接收摄像头、混合深度解码模块；其中，
所述激光散斑编码投射器由VCSEL编码光源、准直镜和衍射光学元件DOE组成；
所述ToF接收摄像头，与所述激光散斑编码投射器处于同一基线上；
所述混合深度解码模块，对所述ToF接收摄像头输出的相移散斑图像的原始RAW数据，先利用ToF相移法进行深度解码，再利用结构光激光三角测距方法进行深度解码，再通过深度信息融合，得到不同距离高精度的深度信息。
本公开还提供了一种利用权利要求1所述的装置实现的激光散斑投射ToF深度感知方法，包括如下步骤：
S100：所述激光散斑编码投射器作为主动投射光源，通过时-空编码方式投射出带有相位调制信息的散斑编码图案；
S200：所述ToF接收摄像头，同步接收所述激光散斑编码投射器投射后从被测目标物体或空间反射回来的相移散斑图像；根据ToF相移法相位调制的不同，相应地采集多幅不同相位的相移散斑图像；
S300：所述混合深度解码模块采集所述ToF接收摄像头输出的多幅相移散斑图像的RAW数据进行混合深度解码。
上述方案本质上是IToF，区别在于IToF采用泛光投射器作为主动照明光源，本方法Spot-ToF采用激光散斑投射器作为主动照明光源，在光源功率相同的情况下，散斑投射相比泛光照射可以工作的更远、抗强光干扰更高。本方法Spot-ToF相比传统IToF，融合近距离结构光激光三角测距和中远距离ToF测距两者的优势，解决了不同距离高精度测量的难题，在抗强光干扰、ToF多径反射、吸收材质影响及近距离测距精度方面获得性能提升。随着ToF模组体积的变小，逐步在智能手机、机器人、无人机等嵌入式设备中得到应用和推广。
附图说明
图1是本公开一个实施例中所提供的一种激光散斑投射ToF深度感知装置的结构示意图；
图2是本公开一个实施例中所提供的激光散斑编码投射器发出的随机激光散斑阵列示意图；
图3是本公开一个实施例中所提供的一种激光散斑投射ToF深度感知方法流程图；
图4是本公开一个实施例中所提供的混合深度解码模块深度信息融合方法示意图；
图5是本公开一个实施例中所提供的基于散斑图像块的结构光编解码方法示意图。
具体实施方式
在一个实施例中，如图1所示，本公开提供了一种激光散斑投射ToF(Spot-ToF)深度感知装置，包括：激光散斑编码投射器、ToF接收摄像头、混合深度解码模块；其中，
所述激光散斑编码投射器由VCSEL编码光源、准直镜和衍射光学元件DOE组成；
所述ToF接收摄像头，与所述激光散斑编码投射器处于同一基线上；
所述混合深度解码模块，对所述ToF接收摄像头输出的相移散斑图像的原始RAW数据，先利用ToF相移法进行深度解码，再利用结构光激光三角测距方法进行深度解码，再通过深度信息融合，得到不同距离高精度的深度信息。
本方案由激光散斑编码投射器通过时-空编码方式向目标物体或被测空间进行主动照射相位调制过的散斑编码图案，ToF接收摄像头按相移法采集反射回来的相移散斑图像，混合深度解码模块分别采取ToF相移法和结构光编解码方法进行深度解码并融合后得到高精度的深度信息。通过融合近距离结构光激光三角测距和中远距离ToF测距两者的优势，解决了不同距离高精度测量的难题。
其中所述的VCSEL编码光源，包括一定数量的VCSEL发光点，这些发光点的排列方式为随机编码图案，即在水平或垂直方向一定的范围内发光点组合方式不重复，所有发光点组成了基础编码图案。
VCSEL光源的波长一般为近红外，比如940nm、850nm、830nm等。其中所述的准直镜用于将VCSEL编码光源发出的激光光束准直为平行光。
其中所述的衍射光学器件DOE将基础编码图案按m*n方式复制排列，比如3*3、5*3、7*5等，经复制组成了散斑点更多的散斑编码图案，并确保不同复制块的散斑点的亮度和对比度保持均衡一致。
在另一个实施例中，所述激光散斑编码投射器作为主动投射光源，通过时-空编码方式进行投射。
在另一个实施例中，所述时-空编码，在时间轴上采用相移法，投射多帧带有相位信息的散斑编码图案；在空间轴上，VCSEL光源采用结构光编码方式(发光点采取随机方式排列)发出基础编码图案，经准直镜准直后，再经衍射光学元件DOE按m*n方式复制排列，投射出一定数量随机分布的激光散斑点组成的散斑编码图案，如图2所示，其中，m，n为整数。
就该实施例而言，其中所述的相移法包括四相步法、三相步法或五相步法。其中，四相步法即是采用四个采样计算窗口测量，每个计算窗口相位延时90°(0°，90°，180°，270°)，ToF接收摄像头采集所得原始RAW数据分别为Q0、Q1、Q2和Q3。
在另一个实施例中，所述ToF接收摄像头用于生成所述激光散斑编码投射器所需的相移法调制驱动信号、同步接收所述激光散斑编码投射器投射后从被测目标物体或空间反射回来的相移散斑图像。
在另一个实施例中，所述相移散斑图像在时间轴上属于ToF相移法调制的相移图像，在空间轴上每幅相移图像都是由随机散斑点构成的散斑图像。
在另一个实施例中，所述ToF接收摄像头通过调制发射多种频率的光波实现混频测量。
就该实施例而言，其中所述ToF接收摄像头可以通过调制发射多种频率(比如20Mhz、60Mhz、100Mhz)的光波实现混频测量，扩大ToF深度测量的工作距离、提高远距离测量精度。
其中所述的混频测量方法，采用两个或者多个频率调制波来混频，每个调制波测量都有不同的不明确距离，真实距离就是多个频率调制波共同测量到的那个值，该位置对应频率就是多个频率的最大公约数。
在另一个实施例中，如图3所示，本公开还提供了一种利用权利要求1所述的装置实现的激光散斑投射ToF深度感知方法，包括如下步骤：
S100：所述激光散斑编码投射器作为主动投射光源，通过时-空编码方式投射出带有相位调制信息的散斑编码图案；
S200：所述ToF接收摄像头，同步接收所述激光散斑编码投射器投射后从被测目标物体或空间反射回来的相移散斑图像；根据ToF相移法相位调制的不同，相应地采集多幅不同相位的相移散斑图像；
S300：所述混合深度解码模块采集所述ToF接收摄像头输出的多幅相移散斑图像的RAW数据进行混合深度解码。
就该实施例而言，在现有IToF深度传感器的基础上，通过采用激光散斑编码投射器作为主动投射光源，通过时-空编码方式投射相位调制过的散斑编码图案，采集的相移散斑图像通过混合深度解码模块分别经过相移法和结构光编解码方法得到融合后的深度信息。本方法实现的Spot-ToF相比传统IToF，在抗强光干扰、ToF多径反射、吸收材质影响及近距离测距精度方面获得性能提升。
在另一个实施例中，步骤S300进一步包括：
S301：先对相移散斑图像进行预处理，提取出相移散斑图像中的散斑点，结合ToF相移法得到所述散斑点对应的相位差，并根据ToF相移法深度计算公式得到对应的深度信息；
S302：利用结构光编解码方法，对输入相移散斑图像与已知距离的参考相移散斑图像进行块匹配计算得到散斑点对应的视差，并根据激光三角测距深度计算公式得到其深度信息；
S303：对ToF相移法得到深度信息和结构光编解码方法得到深度信息进行融合，见图4，散斑点对应的深度值属于中远距离则采用ToF相移法得到的深度信息，散斑点对应的深度值属于近距离则采用结构光编解码方法得到的深度信息，从而得到不同距离高精度的深度信息。
就该实施例而言，相移散斑图像进行预处理提取散斑点的方法，以四相步法为例，具体包括，先根据公式SConfidence＝|SQ3-SQ1|+|SQ0-SQ2|求出相移散斑图像中每个像素点对应的置信度SConfidence，设置m×n(m、n为整数)的搜索窗，计算搜索窗内置信度的平均值Mean_SConfidence，该平均值同搜索窗中心像素点的置信度进行比较，大于平均值则认为该像素是散斑点所在像素。
四相步法的解包裹方法，即针对S200步骤得到相移散斑图像RAW数据SQ0、SQ1、SQ2和SQ3，根据公式
解析并计算出相移散斑图像中散斑点所在像素对应的发射光与接收光的相位差，并根据相位差转深度计算的公式获取散斑点对应的深度信息。
在另一个实施例中，所述ToF相移法深度计算公式为：
其中，d2为散斑照射下所测目标深度信息，c为光速，fm为激光调制频率，
为散斑点所在像素对应的发射光与接收光的相位差。
在另一个实施例中，所述激光三角测距深度计算公式为：
其中，d′为输入相移散斑图像的图像块中心点的深度信息，d为相移散斑图像的已知距离，Δx为ToF接收摄像头采集的相移散斑图像经图像预处理后与已知距离的参考相移散斑图像进行块匹配视差计算得到最优匹配块对应的视差，S为ToF接收摄像头与激光散斑编码投射器的基线距离，f为ToF接收摄像头焦距，μ为图像传感器点距。
就该实施例而言，所述的结构光编解码方法，见图5，ToF接收摄像头与激光散斑编码投射器处于同一基线上；ToF接收摄像头采集的输入相移散斑图像经图像预处理后与已知距离的参考相移散斑图像进行块匹配视差计算得到最优匹配块对应的视差Δx，再结合参考相移散斑图像的已知距离d、ToF接收摄像头与激光散斑编码投射器的基线距离S、ToF接收摄像头焦距f及图像传感器点距μ，根据深度计算公式
计算得到输入相移散斑图像的图像块中心点的深度信息d′。通过视差计算和运动估计使生成的视差向量达到子像素精度级别，从而获得比ToF更高的测距精度。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。
Claims (10)
1.一种激光散斑投射ToF深度感知装置，包括：激光散斑编码投射器、ToF接收摄像头、混合深度解码模块；其中，
所述激光散斑编码投射器由VCSEL编码光源、准直镜和衍射光学元件DOE组成；
所述ToF接收摄像头，与所述激光散斑编码投射器处于同一基线上；
所述混合深度解码模块，对所述ToF接收摄像头输出的相移散斑图像的原始RAW数据，先利用ToF相移法进行深度解码，再利用结构光激光三角测距方法进行深度解码，再通过深度信息融合，得到不同距离高精度的深度信息。
2.根据权利要求1所述的装置，优选的，所述激光散斑编码投射器作为主动投射光源，通过时-空编码方式进行投射。
3.根据权利要求2所述的装置，所述时-空编码，在时间轴上采用相移法，投射多帧带有相位信息的散斑编码图案；在空间轴上，VCSEL光源采用结构光编码方式发出基础编码图案，经准直镜准直后，再经衍射光学元件DOE按m*n，方式复制排列，投射出一定数量随机分布的激光散斑点组成的散斑编码图案，其中，m、n为整数。
4.根据权利要求1所述的装置，所述ToF接收摄像头用于生成所述激光散斑编码投射器所需的相移法调制驱动信号、同步接收所述激光散斑编码投射器投射后从被测目标物体或空间反射回来的相移散斑图像。
5.根据权利要求4所述的装置，所述相移散斑图像在时间轴上属于ToF相移法调制的相移图像，在空间轴上每幅相移图像都是由随机散斑点构成的散斑图像。
6.根据权利要求1所述的装置，所述ToF接收摄像头通过调制发射多种频率的光波实现混频测量。
7.一种利用权利要求1所述的装置实现的激光散斑投射ToF深度感知方法，包括如下步骤：
S100：所述激光散斑编码投射器作为主动投射光源，通过时-空编码方式投射出带有相位调制信息的散斑编码图案；
S200：所述ToF接收摄像头，同步接收所述激光散斑编码投射器投射后从被测目标物体或空间反射回来的相移散斑图像；根据ToF相移法相位调制的不同，相应地采集多幅不同相位的相移散斑图像；
S300：所述混合深度解码模块采集所述ToF接收摄像头输出的多幅相移散斑图像的RAW数据进行混合深度解码。
8.根据权利要求7所述的方法，步骤S300进一步包括：
S301：先对相移散斑图像进行预处理，提取出相移散斑图像中的散斑点，结合ToF相移法得到所述散斑点对应的相位差，并根据ToF相移法深度计算公式得到对应的深度信息；
S302：利用结构光编解码方法，对输入相移散斑图像与已知距离的参考相移散斑图像进行块匹配计算得到散斑点对应的视差，并根据激光三角测距深度计算公式得到其深度信息；
S303：对ToF相移法得到深度信息和结构光编解码方法得到深度信息进行融合，散斑点对应的深度值属于中远距离则采用ToF相移法得到的深度信息，散斑点对应的深度值属于近距离则采用结构光编解码方法得到的深度信息，从而得到不同距离高精度的深度信息。
9.根据权利要求8所述的方法，所述ToF相移法深度计算公式为：
其中，d2为散斑照射下所测目标深度信息，c为光速，fm为激光调制频率，
为散斑点所在像素对应的发射光与接收光的相位差。
10.根据权利要求8所述的方法，所述激光三角测距深度计算公式为：
其中，d′为输入相移散斑图像的图像块中心点的深度信息，d为相移散斑图像的已知距离，Δx为ToF接收摄像头采集的相移散斑图像经图像预处理后与已知距离的参考相移散斑图像进行块匹配视差计算得到最优匹配块对应的视差，S为ToF接收摄像头与激光散斑编码投射器的基线距离，f为ToF接收摄像头焦距，μ为图像传感器点距。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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