CN113514851B - 深度相机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种深度相机，包括如下模块：光投射模块，用于向场景中目标物体投射第一光信号；光接收模块，通过至少三个接收窗口接收所述第一光信号经所述目标物体反射形成第二光信号，进而生成至少三个采集光信号，所述至少三个采集光信号相对于所述第二光信号的相位延迟不同；控制模块，用于根据至少三个接收窗口连续接收到的第二光信号的脉冲波形将测量区间分为多个测量段，进而根据所述至少三个采集光信号的辐射能量确定对应的测量段，进而确定所述目标物体的深度信息，所述测量区间根据所述第一光信号的脉冲宽度确定。本发明将整个测量区间的深度计算分为多个测量段的深度测量，实现深度的准确计算。

Description

深度相机
技术领域
本发明涉及飞行时间相机，具体地，涉及一种深度相机。
背景技术
近年来，飞行时间(ToF)相机已成为一种流行的3D成像技术，在诸如机器人导航，运动捕捉，人机界面和3D映射之类的一些科学和消费类应用中均得到普及。
ToF相机与普通相机成像过程类似，主要由光源、感光芯片、镜头、传感器、驱动控制电路以及处理电路等几部分关键单元组成。ToF相机包括两部分核心模块，发射照明模块和感光接收模块，根据这两大核心模块之间的相互关联来生成深度信息。ToF相机的感光芯片根据像素单元的数量也分为单点和面阵式感光芯片，为了测量整个三维物体表面位置深度信息，可以利用单点ToF相机通过逐点扫描方式获取被探测物体三维几何结构，也可以通过面阵式ToF相机，拍摄一张场景图片即可实时获取整个场景的表面几何结构信息，面阵式ToF相机更易受到消费类电子***搭建的青睐。
如图1所示，T：x(t)为光源发出的光信号，R：y(t)为光源接收的光信号，通过两个错开的第一接收窗口RX1、第二接收窗口RX2接收反射能量，辐射强度分别为B1、B2；通过第三个接收窗口RX3接收环境光能量，辐射强度为B3；通过两个错开的接收窗口接收有效能量的比例，计算相位差，进而获取目标物体的深度Distance。计算方式具体为：其中，Γrange为深度测量区间，/>T为光源发出的光信号的脉冲宽度，c为光速。
但是现有技术的ToF相机的精度随着度测量区间的变大降低，无法适用于测量精度较大的应用场景。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种深度相机、***、设备及存储介质。
根据本发明提供的深度相机，包括如下模块：
光投射模块，用于向场景中目标物体投射第一光信号；
光接收模块，通过至少三个接收窗口接收所述第一光信号经所述目标物体反射形成第二光信号，进而生成至少三个采集光信号，所述至少三个采集光信号相对于所述第二光信号的相位延迟不同；
控制模块，用于根据至少三个接收窗口连续接收到的第二光信号的脉冲波形将测量区间分为多个测量段，进而根据所述至少三个采集光信号的辐射能量确定对应的测量段，进而确定所述目标物体的深度信息，所述测量区间根据所述第一光信号的脉冲宽度确定。
优选地，所述光投射模块包括光源、光源驱动器以及光调制器；
所述光源驱动器与所述光源连接，用于驱动所述光源发光；
所述光调制器与所述光源连接，用于将所述光源的投射的光调制后向所述待测体投射第一光信号。
优选地，所述光接收模块包括沿光路设置的镜头、滤光片以及图像传感器，所述图像传感器设置有至少三个所述接收窗口；所述接收窗口的脉冲宽度大于或小于所述第一光信号的脉冲宽度；
所述图像传感器，用于通过至少三个接收窗口接收至少三个第二光信号；所述至少三个接收窗口在时序上顺次排列，进而根据每一所述接收窗口到的第二光信号生成每一所述采集光信号。
优选地，当所述控制模块根据至少三个接收窗口连续接收到的第二光信号的脉冲波形的相位延迟，将所述测量区间分为多个测量段时，且将所述测量段按预设置的次序进行顺次标记。
优选地，当所述控制模块根据至少三个采集光信号的辐射能量确实所述目标物体的深度信息所在的多个测量段中的目标测量段确定所述目标物体的深度信息时，具体为：
根据预设置的比例关系式的确定所述至少三个第二光信号的辐射强度对应在所述目标测量段中的比例值，根据所述比例值确定所述至少三个第二光信号的辐射强度对应在所述目标测量段的深度，进而累加次序在所述目标测量段前的测量段确定所述目标物体的深度信息。
优选地，当所述至少三个接收窗口为第一接收窗口、第二接收窗口、第三接收窗口以及第四接收窗口时，确定所述目标物体的深度信息时具体为：
设A1为第一接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；A2为第二接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；A3为第三接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；A4为第四接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；辐射能量曲线A1、辐射能量曲线A2、辐射能量曲线A3、辐射能量曲线A4相差四分之一相位；
设
对于辐射能量曲线中最大值和最小值之外的上升沿设为Arise，下降沿设为Afall；
根据imax,imin的取值可将测量区间分为四个测量段，其中每一测量段内都有上升沿和下降沿，则一测量段内的深度d表示为：
其中dmax为最大测量深度，dint(imax,imin)为取值由imax,imin决定的区间对应的深度偏移量，其取值为n＝0,1,2,3，n为测量段的次序。
优选地，当所述至少三个接收窗口为第一接收窗口、第二接收窗口以及第三接收窗口时，确定所述目标物体的深度信息时具体为：
设A1为第一接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；A2为第二接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；A3为第三接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；辐射能量曲线A1、辐射能量曲线A2、辐射能量曲线A3相差三分之一相位。
设
对于辐射能量曲线中最大值和最小值之外的上升沿和下降沿设为Amid；
根据imax,imin的取值可将测量区间分为六个测量段，其中有三个测量段为下降沿，三测量段为上升沿；
对于下降沿对应的测量段内的深度d表示为：
对于上升沿对应的测量段内的深度d表示为：
其中dmax为最大测量深度，dint(imax,imin)为取值由imax,imin决定的区间对应的深度偏移量，其取值为n＝0,1,2,3,4,5，n为测量段的次序。
优选地，所述第一光信号的脉冲波形呈多个顺次排列的矩形。
优选地，每一所述接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线呈梯形且多个所述接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线存在相位差。
优选地，所述测量区间其中，T为光源发出的光信号的脉冲宽度，c为光速。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
在本发明中，光接收模块通过至少三个接收窗口连续接收到的第二光信号的脉冲波形将测量区间分为多个测量段，从而控制模块能够根据所述至少三个采集光信号的辐射能量确定对应的测量段，在该测量段中确定深度进而累加次序在所述目标测量段前的测量段确定所述目标物体的深度信息，将整个测量区间的深度测量分为多个测量段的深度测量，实现深度的准确计算。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为现有技术中飞行时间相机的原理示意图；
图2为现有技术中通过飞行时间进行深度计算的示意图；
图3为本发明实施例中深度相机的模块示意图；
图4为本发明实施例中光投射模块的模块示意图；
图5为本发明实施例中光接收模块的模块示意图；
图6为本发明实施例中第一光信号的脉冲波形示意图；
图7为本发明实施例中采集光信号的相位延迟示意图；
图8为本发明变形例中第一光信号的脉冲波形示意图；
图9为本发明变形例中采集光信号的相位延迟示意图；
图10为本发明实施例中四个接收窗口连续接收到的第二光信号的脉冲波形示意图；
图11为本发明实施例中四个第二光信号的脉冲波形将测量区间分为四个测量段的示意图；
图12为本发明实施例中三个第二光信号的脉冲波形将测量区间分为6个测量段的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
本发明提供的深度相机，旨在解决现有技术中存在的问题。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。
图3为本发明实施例中深度相机的模块示意图，如图3所示，本发明提供的深度相机，包括如下模块：
光投射模块，用于向场景中目标物体投射第一光信号；
光接收模块，通过至少三个接收窗口接收所述第一光信号经所述目标物体反射形成第二光信号，进而生成至少三个采集光信号，所述至少三个采集光信号相对于所述第二光信号的相位延迟不同；
控制模块，用于根据至少三个接收窗口连续接收到的第二光信号的脉冲波形将测量区间分为多个测量段，进而根据所述至少三个采集光信号的辐射能量确定对应的测量段，进而确定所述目标物体的深度信息，所述测量区间根据所述第一光信号的脉冲宽度确定。
图4为本发明实施例中光投射模块的模块示意图，如图4所示，所述光投射模块包括光源、光源驱动器以及光调制器；
所述光源驱动器与所述光源连接，用于驱动所述光源发光；
所述光调制器与所述光源连接，用于将所述光源的投射的光调制后向所述待测体投射第一光信号。
在本发明实施例中，经过调制后的所述第一光信号呈多个顺次排列连续的矩形，图6为本发明实施例中第一光信号的脉冲波形示意图，如图6所示所述第一光信号的脉冲信号呈矩形。
图5为本发明实施例中光接收模块的模块示意图，如图5所示，所述光接收模块包括沿光路设置的镜头、滤光片以及图像传感器，所述图像传感器设置有至少三个所述接收窗口；所述接收窗口的脉冲宽度大于或小于所述第一光信号的脉冲宽度；
所述图像传感器，用于通过至少三个接收窗口接收至少三个第二光信号；所述至少三个接收窗口在时序上顺次排列；根据每一所述接收窗口到的第二光信号生成每一所述采集光信号。
图7为本发明实施例中采集光信号的相位延迟示意图，如图7所示，四个采集光信号相对于所述第二光信号的相位延迟不同，且四个采集光信号在时序上顺次排列。
在本发明实施例中，所述接收窗口的脉冲宽度大于所述第一光信号的脉冲宽度且为所述第一光信号的脉冲宽度的两倍。
图8为本发明变形例中第一光信号的脉冲波形示意图，图9为本发明变形例中采集光信号的相位延迟示意图，如图8、图9所示，在本发明变形例中，所述接收窗口的脉冲宽度小于所述第一光信号的脉冲宽度且为所述第一光信号的脉冲宽度的二分之一。
当所述控制模块根据至少三个接收窗口连续接收到的第二光信号的脉冲波形的相位延迟，将所述测量区间分为多个测量段时，且将所述测量段按预设置的次序进行顺次标记。
在本发明实施例中，测量区间其中，T为光源发出的光信号的脉冲宽度，c为光速。
图10为本发明实施例中四个接收窗口连续接收到的第二光信号的脉冲波形示意图，如图10所示，所述接收窗口的脉冲宽度大于或小于所述第一光信号的脉冲宽度，所述第一光信号的脉冲波形呈多个顺次排列的矩形，每一所述接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线呈梯形且多个所述接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线存在相位差。
当所述控制模块根据至少三个采集光信号的辐射能量确实所述目标物体的深度信息所在的多个测量段中的目标测量段确定所述目标物体的深度信息时，具体为：
根据预设置的比例关系式的确定所述至少三个第二光信号的辐射强度对应在所述目标测量段中的比例值，根据所述比例值确定所述至少三个第二光信号的辐射强度对应在所述目标测量段的深度，进而累加次序在所述目标测量段前的测量段确定所述目标物体的深度信息。
图11为本发明实施例中四个第二光信号的脉冲波形将测量区间分为4个测量段的示意图，如图11所示，A1为第一接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；A2为第二接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；A3为第三接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；A4为第四接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；辐射能量曲线A1、辐射能量曲线A2、辐射能量曲线A3、辐射能量曲线A4相差四分之一相位。
设
对于辐射能量曲线中最大值和最小值之外的上升沿设为Arise，下降沿设为Afall；
根据imax,imin的取值可将测量区间分为四个测量段，其中每一测量段内都有上升沿和下降沿，则一测量段内的深度d表示为：
其中dmax为最大测量深度，dint(imax,imin)为取值由imax,imin决定的区间对应的深度偏移量，其取值为n＝0,1,2,3，n为测量段的次序。
图12为本发明实施例中三个第二光信号的脉冲波形将测量区间分为6个测量段的示意图，如图12所示，A1为第一接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；A2为第二接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；A3为第三接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；辐射能量曲线A1、辐射能量曲线A2、辐射能量曲线A3相差三分之一相位。
设
对于辐射能量曲线中最大值和最小值之外的上升沿和下降沿设为Amid；
根据imax,imin的取值可将测量区间分为六个测量段，其中有三个测量段为下降沿，三测量段为上升沿：
对于下降沿对应的测量段内的深度d：
对于上升沿对应的测量段内的深度d：
其中dmax为最大测量深度，dint(imax,imin)为取值由imax,imin决定的区间对应的深度偏移量，其取值为n＝0,1,2,3,4,5，n为测量段的次序。
在本发明实施例中，所述第二光信号的辐射能量曲线的最大值max(B)为2N-1，其中，N为模数转换器的位数。
在本发明实施例中，光接收模块通过至少三个接收窗口连续接收到的第二光信号的脉冲波形将测量区间分为多个测量段，从而控制模块能够根据所述至少三个采集光信号的辐射能量确定对应的测量段，在该测量段中确定深度进而累加次序在所述目标测量段前的测量段确定所述目标物体的深度信息，将整个测量区间的深度测量分为多个测量段的深度测量，实现深度的准确计算。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (12)

1.一种深度相机，其特征在于，包括如下模块：
光投射模块，用于向场景中目标物体投射第一光信号；
光接收模块，用于通过至少三个接收窗口接收所述第一光信号经所述目标物体反射形成第二光信号，进而生成至少三个采集光信号，所述至少三个采集光信号相对于所述第二光信号的相位延迟不同；
控制模块，用于根据至少三个接收窗口连续接收到的第二光信号的脉冲波形将测量区间分为多个测量段，进而根据所述至少三个采集光信号的辐射能量确定对应的测量段，进而确定所述目标物体的深度信息，所述测量区间根据所述第一光信号的脉冲宽度确定；
其中，当所述控制模块根据至少三个采集光信号的辐射能量确定所述目标物体的深度信息所在的多个测量段中的目标测量段确定所述目标物体的深度信息时，具体为：
根据预设置的比例关系式的确定所述至少三个第二光信号的辐射强度对应在所述目标测量段中的比例值，根据所述比例值确定所述至少三个第二光信号的辐射强度对应在所述目标测量段的深度，进而累加次序在所述目标测量段前的测量段确定所述目标物体的深度信息；
其中，当所述至少三个接收窗口为第一接收窗口、第二接收窗口、第三接收窗口以及第四接收窗口时，确定所述目标物体的深度信息时具体为：
设A1为第一接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；A2为第二接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；A3为第三接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；A4为第四接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；辐射能量曲线A1、辐射能量曲线A2、辐射能量曲线A3、辐射能量曲线A4相差四分之一相位；
设
对于辐射能量曲线中最大值和最小值之外的上升沿设为Arise，下降沿设为Afall；
根据imax,imin的取值可将测量区间分为四个测量段，其中每一测量段内都有上升沿和下降沿，则一测量段内的深度d表示为：
其中dmax为最大测量深度，dint(imax,imin)为取值由imax,imin决定的区间对应的深度偏移量，其取值为n为测量段的次序；经过调制后的所述第一光信号呈多个顺次排列连续的矩形。
2.根据权利要求1所述的深度相机，其特征在于，所述光投射模块包括光源、光源驱动器以及光调制器；
所述光源驱动器与所述光源连接，用于驱动所述光源发光；
所述光调制器与所述光源连接，用于将所述光源的投射的光调制后向待测体投射第一光信号。
3.根据权利要求1所述的深度相机，其特征在于，所述光接收模块包括沿光路设置的镜头、滤光片以及图像传感器，所述图像传感器设置有至少三个所述接收窗口；所述接收窗口的脉冲宽度大于或小于所述第一光信号的脉冲宽度；
所述图像传感器，用于通过至少三个接收窗口接收至少三个第二光信号；所述至少三个接收窗口在时序上顺次排列，进而根据每一所述接收窗口到的第二光信号生成每一所述采集光信号。
4.根据权利要求3所述的深度相机，其特征在于，当所述控制模块根据至少三个接收窗口连续接收到的第二光信号的脉冲波形的相位延迟，将所述测量区间分为多个测量段时，且将所述测量段按预设置的次序进行顺次标记。
5.根据权利要求1所述的深度相机，其特征在于，每一所述接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线呈梯形且多个所述接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线存在相位差。
6.根据权利要求1所述的深度相机，其特征在于，所述测量区间其中，T为光源发出的光信号的脉冲宽度，c为光速。
7.一种深度相机，其特征在于，包括如下模块：
光投射模块，用于向场景中目标物体投射第一光信号；
光接收模块，用于通过至少三个接收窗口接收所述第一光信号经所述目标物体反射形成第二光信号，进而生成至少三个采集光信号，所述至少三个采集光信号相对于所述第二光信号的相位延迟不同；
控制模块，用于根据至少三个接收窗口连续接收到的第二光信号的脉冲波形将测量区间分为多个测量段，进而根据所述至少三个采集光信号的辐射能量确定对应的测量段，进而确定所述目标物体的深度信息，所述测量区间根据所述第一光信号的脉冲宽度确定；
当所述控制模块根据至少三个采集光信号的辐射能量确定所述目标物体的深度信息所在的多个测量段中的目标测量段确定所述目标物体的深度信息时，具体为：
根据预设置的比例关系式的确定所述至少三个第二光信号的辐射强度对应在所述目标测量段中的比例值，根据所述比例值确定所述至少三个第二光信号的辐射强度对应在所述目标测量段的深度，进而累加次序在所述目标测量段前的测量段确定所述目标物体的深度信息；
其中，当所述至少三个接收窗口为第一接收窗口、第二接收窗口以及第三接收窗口时，确定所述目标物体的深度信息时具体为：
设A1为第一接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；A2为第二接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；A3为第三接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线；辐射能量曲线A1、辐射能量曲线A2、辐射能量曲线A3相差三分之一相位；
设
对于辐射能量曲线中最大值和最小值之外的上升沿和下降沿设为Amid；
根据imax,imin的取值可将测量区间分为六个测量段，其中有三个测量段为下降沿，三测量段为上升沿；
对于下降沿对应的测量段内的深度d表示为：
对于上升沿对应的测量段内的深度d表示为：
其中dmax为最大测量深度，dint(imax,imin)为取值由imax,imin决定的区间对应的深度偏移量，其取值为n为测量段的次序；经过调制后的所述第一光信号呈多个顺次排列连续的矩形。
8.根据权利要求7所述的深度相机，其特征在于，所述光投射模块包括光源、光源驱动器以及光调制器；
所述光源驱动器与所述光源连接，用于驱动所述光源发光；
所述光调制器与所述光源连接，用于将所述光源的投射的光调制后向待测体投射第一光信号。
9.根据权利要求7所述的深度相机，其特征在于，所述光接收模块包括沿光路设置的镜头、滤光片以及图像传感器，所述图像传感器设置有至少三个所述接收窗口；所述接收窗口的脉冲宽度大于或小于所述第一光信号的脉冲宽度；
所述图像传感器，用于通过至少三个接收窗口接收至少三个第二光信号；所述至少三个接收窗口在时序上顺次排列，进而根据每一所述接收窗口到的第二光信号生成每一所述采集光信号。
10.根据权利要求9所述的深度相机，其特征在于，当所述控制模块根据至少三个接收窗口连续接收到的第二光信号的脉冲波形的相位延迟，将所述测量区间分为多个测量段时，且将所述测量段按预设置的次序进行顺次标记。
11.根据权利要求7所述的深度相机，其特征在于，每一所述接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线呈梯形且多个所述接收窗口接收到的所述第二光信号的辐射能量曲线存在相位差。
12.根据权利要求7所述的深度相机，其特征在于，所述测量区间其中，T为光源发出的光信号的脉冲宽度，c为光速。
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