CN115218820A - 结构光投射装置、深度数据测量头、计算设备和测量方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种结构光投射装置、深度数据测量头、计算设备和测量方法。所述结构光投射装置，包括：光源模块，用于生成并出射带纹理的光束；转向投射模块，包括：布置在所述光束的出射路径上的反射装置，用于对入射的所述光束进行反射，以使所述光束出射；以及连接至所述反射装置的驱动装置，用于改变所述反射装置相对于入射的所述光束的角度，以改变所述光束的出射方向。本发明使用改进的、能够以不同角度反射光源模块产生的结构光的结构光投射装置，从而能够实现更为快速、经济且故障率低的多图案投射。进一步地，该结构光投射装置能够与共有光路的多对双目传感器相配合，从而进一步缩短帧间隔，提升深度融合数据的质量。

Description

结构光投射装置、深度数据测量头、计算设备和测量方法
技术领域
本发明涉及三维检测技术领域，尤其涉及一种结构光投射装置、深度数据测量头、计算设备和测量方法。
背景技术
近年来，三维成像技术得到蓬勃发展。目前，一种基于结构光的双目检测方案能够实时地对物体表面进行三维测量。简单地说，该方案首先向自然体表面投射带有编码信息的二维激光纹理图案，例如离散化的散斑图，由位置相对固定的两个图像采集装置对激光纹理进行连续采集，处理单元使用采样窗口对两个图像采集装置同时采集的两幅图像进行采样，确定采样窗口内匹配的激光纹理图案，根据匹配的纹理图案之间的差异，计算出投射在自然体表面的各个激光纹理序列片段的纵深距离，并进一步测量得出待测物表面的三维数据。
在匹配处理中，采样窗口越大，单次采样中包含的图案信息量也越大，因此也越容易进行匹配，但会导致得到的深度图像颗粒度越大。相应地，采样窗口越小，图像的颗粒度越精细，但误匹配率也越大。虽然可以通过连续拍摄多组不同图像来减小采样窗口，但这又引入的额外的***复杂度并且会降低帧率。
为此，需要一种改进的结构光投射装置，以及利用该装置的深度数据测量方案。
发明内容
本公开要解决的一个技术问题是提供一种深度数据测量方案，该方案使用改进的、能够以不同角度反射光源模块产生的结构光的结构光投射装置，从而能够实现更为快速、经济且故障率低的多图案投射。进一步地，该结构光投射装置能够与共有光路的多对双目传感器相配合，从而进一步缩短帧间隔，提升深度融合数据的质量。
根据本公开的第一个方面，提供了一种结构光投射装置，包括：光源模块，用于生成并出射带纹理的光束；转向投射模块，包括：布置在所述光束的出射路径上的反射装置，用于对入射的所述光束进行反射，以使所述光束出射；连接至所述反射装置的驱动装置，用于改变所述反射装置相对于入射的所述光束的角度，以改变所述光束的出射方向。
根据本公开的第二个方面，提供了一种深度数据测量头，包括：如本发明第一方面所述的结构光投射装置，用于在驱动装置驱动不同的投射角度下向被测空间投射带有纹理的光束，以在被测空间中的待检测物体上形成不同的纹理；以及分别布置在所述结构光投射装置两侧的第一和第二图像传感器，所述第一和第二两个图像传感器之间具有预定的相对空间位置关系，并在所述反射装置的运动过程中对被测空间进行至少两次成像，以获取具有不同纹理分布的至少两组图像，其中所述至少两组图像用于获取待检测物体的单次测量深度数据。
根据本公开的第三个方面，提供了一种深度数据计算设备，包括：如本发明第二方面所述的深度数据测量头，以及处理器，用于获取所述至少两组图像，并根据所述第一和第二图像传感器之间的预定相对空间位置关系，确定每组图像中所述纹理的深度数据，将基于所述至少两组图像确定的深度数据融合，得到新的深度数据，作为待检测物体的单次测量深度数据。
根据本公开的第四个方面，提供了一种深度数据测量方法，包括：对光源模块出射的带散斑图案的光束进行转动反射；使用相对位置固定的第一和第二图像传感器对被测空间进行至少两次成像，以获取至少两组图像，其中，在所述至少两次成像中，被测空间被投射了由于所述转动反射而呈现出的不同散斑图案；从所述至少两组图像中求取深度数据并进行深度数据融合。
由此，通过转动反射结构光来提升结构光投射装置的投射灵活度。该装置可以进一步与同轴双目方案结合，以进一步提升多帧融合方案的精度和成像速度。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明一个实施例的结构光投射装置的组成示意图。
图2示出了本发明改变投射方向的示意图。
图3示出了根据本发明一个实施例的结构光投射装置的透视图。
图4A-B示出了不同透视角度下图3所示结构光投射装置投射结构光的例子。
图5示出了根据本发明一个实施例的深度数据测量头的组成示意图。
图6示出了同轴两组成像和单组成像的对比时序图。
图7示出了同轴三组双目成像的时序图。
图8示出了根据本发明一个实施例的深度数据测量方法的示意性流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
如前所述，在双目成像的匹配处理中，采样窗口越大，单次采样中包含的图案信息量也越大，因此也越容易进行匹配，但会导致得到的深度图像颗粒度越大。相应地，采样窗口越小，图像的颗粒度越精细，但误匹配率也越大。因此可以通过连续拍摄多组不同图像来减小采样窗口。
例如，可以通过使用驱动装置驱动光源模块转动，来实现同一光源模块从不同角度进行投射。此时，即便是光源模块投射的图案相同，但由于投射角度不同，因此在成像装置(图像传感器)的视野中仍然呈现为不同的图案。但由于光源模块本身自重，并且需要布线供电，因此驱动装置的驱动功能受限。另外，基于多帧的深度融合会降低帧率，并且降低动态对象的拍摄性能。
为此，本发明提供一种深度数据测量方案，该方案使用改进的、能够以不同角度反射光源模块产生的结构光的结构光投射装置，从而能够实现更为快速、经济且故障率低的多图案投射。进一步地，该结构光投射装置能够与共有光路的多对双目传感器相配合，从而进一步缩短帧间隔，提升深度融合数据的质量。
首先，图1示出了根据本发明一个实施例的结构光投射装置的组成示意图。
如图所示，结构光投射装置110可以包括位于图示虚线上部的光源模块I以及位于图示虚线下部的转向投射模块II。光源模块用于生成要进行投射的光束，转向投射模块则用于使得光束转向并出射的转向投射模块。
具体地，光源模块用于生成并出射带纹理的光束。通常，光源模块不会直接投射发光装置发出的光束，而是会对发光装置投射出的光束进行一定的光学处理，使其呈现想要的分布、亮度或是图案。为此，
如图1所示，光源模块I可以包括激光发生器111以及衍射光学元件(DOE)112。其中，激光发生器111用于发射激光光束(如图所示的单箭头)。而布置在激光光束的出射光路上的DOE 112则可对入射的激光进行调制，例如使得入射激光发生衍射并使其被调制成具有特定投射规则的离散光斑(图中以双箭头示出，以表示经衍射后的光束具有一定宽度)。
在其他实施例中，光源模块I也可以利用激光+衍射之外的其他方案实现。例如，光源模块可以包括泛光光源，用于生成泛光；以及布置在所述泛光光源上的掩膜，用于将所述泛光转换成具有特定投射规则的离散光斑。
进一步地，转向投射模块是用于将光源模块生成的光束(例如，散斑图案)经过反射出射的模块。然而不同于常规的反射模块，本发明的转向投射模块能够驱动反射模块运动，从而使得由反射模块反射的光束能够发生变化。
具体地，如图1所示，转向投射模块II可以包括反射装置113和驱动装置114。其中，布置在所述光束的出射路径上的反射装置113可以用于对入射的所述光束进行反射，以使所述光束出射，而连接至所述反射装置的驱动装置114则可用于改变所述反射装置相对于入射的所述光束的角度，以改变所述光束的出射方向。
在本发明的实施例中，为了描述方便，可以将光线出射测量头的方向约定为z方向，拍摄平面的水平方向为x方向，竖直方向为y方向。为此，在图1以及如下将描述的图2、图3以及图4A-B中，将对光源模块向下(y方向)投射结构光，并由转向投射模块将出射方向改变为z方向(其实是沿z方向由微小角度偏离的方向)放置的例子进行详述。应该理解的是，在其他实施例中，也可以根据成像需要，以其他方向布置或是放置本发明的结构光投射装置。
为了方便理解，图2示出了本发明改变投射方向的示意图。由光源发射的光沿着y轴向下投射至反射装置，例如反射镜，并由反射装置反射，以投射至被测空间，并且能够在与z轴垂直的成像平面上形成光斑。反射装置能够沿着x轴轴向转动，例如如图所示在A-B角度范围内转动，由此能够相应地获得在成像平面上在A’-B’范围内移动的光斑。当图1所示的光源模块I投射具有二维分布图案的离散光斑时，虽然光源模块I投射到反射镜的图案是相同的(因为激光发射器111和DOE 112的相对位置固定，且本身不发生运动)，但由于反射镜的转动，会使得投射出的图案具有角度偏移，因此在如下所述结合双目成像使用的情况下，图像传感器在不同投射角度下拍摄的图案可以看作是不同的图案。
虽然图2中为了阐明本发明原理而示出了能够在较大的A-B角度范围内转动的反射镜，但应该理解的是，在实际的应用场景中，相同图案投射的角度差异可以很小，例如，1°，由此能够在确保成像图案不相同的同时，保证成像范围的大致重合。
进一步地，图3示出了根据本发明一个实施例的结构光投射装置的透视图。图4A-B示出了不同透视角度下图3所示结构光投射装置投射结构光的例子。
如图所示，激光发生器311可以被设置在壳体(或是固定结构)315的内部，其产生的光源可以经由布置在出射光路上的DOE 312进行衍射而得到具有一定二维分布的衍射图案，衍射图案相上传播至反射镜313，反射镜313反射衍射图案使其(大致)沿着z方向出射，并在垂直于z方向的投射平面(如图4A和图4B所示，其中图4B可以看作是图3和图4A所示装置沿y轴旋转90°的视图)上形成散斑图案。图4A和图4B的投射平面可以看作是图1所示成像平面的三维图示。
进一步地，驱动装置可以控制反射装置沿轴向运动，其中，从光源模块出射的光束以与轴向(x方向)垂直的方向入射至反射装置，并基于所述反射装置的轴向运动，改变出射方向。
具体如图所示，从驱动装置(可以是电机)314伸出的转轴与反射镜313固定连接，由此在电机工作时，由转轴带动反射镜313进行轴向运动。从而在投射平面上形成具有一定角度偏移的投影图案。这些投射图案对进行投影拍摄的图像传感器而言可以是不同的图案，由此，本发明的投射装置能够通过转动反射结构光(例如，具有二维分布的衍射图案)来实现对“不同”图案的方便投射。
在某些实施例中，转向投射模块可以是振镜，电机可以带动反射镜在一定的范围内往复运动。在另一些实施例中，转向投射模块可以是转镜，电机只能沿轴向进行单向运动。
具体地，转向投射模块可以是以预定频率往复振动的机械振镜，由此能够以预定频率向所述被测区域投射结构光，由此，在投射平面呈现沿着y方向上下运动的二维衍射图案(离散光斑)。由于机械振镜的可控制性，还可以使得转向投射模块在连续运动期间的预定窗口期保持静止。
例如，机械振镜可以具有沿着z方向±1°的运动范围，并且可以具有高达每秒2k的极高振动频率。在与图像传感器配合使用时，例如在三帧图像合成一帧图像时，可以使得机械振镜在运动到-1°、0°和1°时分别暂停运动一段时间，例如在感光单元所需的曝光时间(例如1ms)内保持静止，由此使得在图像传感器的曝光期间，投射的图案保持不变，从而提升成像精度。
而在使用转镜的实施例中，虽然转镜只能够单向旋转，且难以进行变速控制，但是可以通过光电二极管等装置来感测转镜的运动角度，并且在合适的角度内进行结构光投射和动态成像，例如在360°中沿着z方向±1°的区间内进行投射和相应的成像。
另外，应该理解的是，虽然图1-图4B给出的例子中，投射的结构光都是沿着z方向投射，并在竖直方向(y方向)上变动的结构光，但在其他实施例中，投射的结构光也可以是沿着z方向投射，并在水平方向(x方向)上变动的结构光，或是在x和y方向上都存在角度变换的投射。
本发明的结构光投射装置可以用于深度数据的测量。图5示出了根据本发明一个实施例的深度数据测量头的组成示意图。出于简明的考虑，图中更为详尽地给出了图像传感器(520)的一个组成实例。
如图5所示，基于双目原理的深度数据测量头500包括投影装置510以及具有预定相对位置关系的第一图像传感器520和第二图像传感器530。该投影装置510可以是如前结合图1和图3描述的结构光投射装置。
虽然图中为了方便说明而没有示出，测量头500还可以包括用于包围上述装置的壳体，并且图5所示的连接结构540可以看作是固定上述装置并连接至壳体的机构。在某些实施例中，连接结构540可以是其上包括控制电路的电路板。应该理解的是，在其他实现中，上述装置510-530可以以其他方式连接至壳体，并进行相应的数据传输和指令接收操作。
在此，投影装置510用于向拍摄区域投射结构光，例如经由DOE衍射的相同图案，但由于转向机制的存在，可以使得同一图案沿不同角度投射，从而使得具有预定相对位置关系的第一图像传感器520和第二图像传感器530对所述拍摄区域进行拍摄以获得具有不同图案的一组图像帧对。这一组图像帧对则可用于所述拍摄区域的单次深度数据计算。
具体地，的第一图像传感器520和第二图像传感器530可被分别布置在所述结构光投射装置510的两侧。所述第一和第二两个图像传感器之间具有预定的相对空间位置关系，并在所述反射装置的运动过程中对被测空间进行至少两次成像，以获取具有不同纹理分布的至少两组图像，其中所述至少两组图像用于获取待检测物体的单次测量深度数据。
例如，投影装置510可以在其驱动装置的驱动下，以不停变换的投射角度下向被测空间投射带有纹理的光束，以在被测空间中的待检测物体上形成不同的纹理。图像传感器可以在转向过程中进行多次成像，例如在运动到-1°、0°和1°时各自进行一次成像，由此得到包括三对(6帧)的一组图像帧对。这6帧图像共同用于针对拍摄区域的一次深度数据的计算，即，能够计算出一帧的深度图像。
在某些实施例中，投影装置510中的光源模块可以在工作中保持常亮，图像传感器则可在转向装置转动的特定角度或是任意角度(或是预定运动范围内的任意角度)进行多次成像。
例如，在利用可控的机械转镜的场景下，可以根据转镜的旋转角度，进行相应的成像，例如在运动到-1°、0°和1°时各自进行一次成像。也可以根据测得的旋转角度，进行相应的曝光。
在某些实施例中，也可以不对旋转角度和图像传感器的曝光进行同步。例如，当设定机械转镜在±1°内进行转动时，图像传感器可以在任意时刻以任意间隔进行所需的一组图像的拍摄，只要拍摄间隔不与转镜的转动频率完全重合，就可以拍摄到不同的图像。换句话说，由于在双目场景下比较的是同组图像间的差异，而无需与参考图案进行比较，因此具体投射了什么图案并非是需要被规定的。
在另一些实施例中，投影装置510中的光源模块可以与图像传感器的曝光同步。此时，测量头500还可以控制器，用于控制所述光源模块在所述第一和第二图像传感器曝光时同步点亮。
另外，控制器还可以用于控制所述驱动装置在所述第一和第二图像传感器的曝光期间保持静止。由此，相比于驱动装置运动中的成像，能够得到更为清晰的投影图案，例如，离散光斑。
在本发明的某些实施例中，第一和第二图像传感器可以是常规的图像传感器。但在其他实施例中，所述第一和第二图像传感器各自包括至少共用部分光路的至少两个子图像传感器，所述至少两个子图像传感器各自用于进行所述至少两次成像中的一次成像。
如图5所示，第一图像传感器520和第二图像传感器530各自仅包括一块感光单元，并且每一块感光单元分别进行三次成像来获取三对(6帧)的一组图像帧对，在本发明中，第一和第二图像传感器各自包括至少共用部分光路的至少两个子图像传感器，所述至少两个子图像传感器分别用于对所述投影装置相继投射的不同图案的结构光进行成像。
图5示出了第一和第二图像传感器各自包括两个子图像传感器(感光单元)的例子。如图所示，第一图像传感器520包括子图像传感器523和554，第二图像传感器330则包括子图像传感器533和534。在这其中，子图像传感器523和524共用光路直到分束装置522的分束面，并且与上述分束区域相距的距离相等。同样地，子图像传感器533和534共用光路直到分束装置532的分束面，并且与上述分束区域相距的距离相等。换句话说，本发明引入了彼此同轴的多组双目结构。在此，可以将子图像传感器523和533看作是第一组图像传感器(第一组双目)，用于在一个投射角度下对结构光进行成像。随后，可以将看作是第二组图像传感器(第二组双目)的子图像传感器524和534用于对另一个投射角度下的结构光进行成像。换句话说，此时可以看作分别与523和533同轴的子图像传感器524和534在原地(即，具有等效光路)，代替523和533进行了后一幅图案结构光的成像。由此，相邻两帧的成像间隔就可以不依赖于每个图像传感器的帧间隔，而以更小的间隔进行成像。
为此，测量头500还可以包括：同步装置，用于在所述投影装置以小于所述子图像传感器的帧成像间隔的第一间隔投射至少两个不同图案的结构光的同时，使得第一和第二图像传感器520和530各自包括至少两个子图像传感器同步地以所述第一间隔相继分别对所述至少两个不同图案的结构光进行成像。相应地，每一个子图像传感器仍然以不小于所述子图像传感器的帧成像间隔的第二间隔进行自身的下一帧成像(例如，就以本身的帧间隔成像)，并且上述成像操作能够同步装置的同步下与所述投影装置的投射同步。
图6示出了同轴两组成像和单组成像的对比时序图。这里为了方便说明，可以设每一个感光单元(子图像传感器)的帧率为100帧/s，则其帧间隔为10ms，并且可以设每个感光单元所需的曝光时间为1ms。
如果第一和第二图像传感器520和530是仅包括单个感光单元的常规图像传感器，在要利用图1所示的三幅图案进行深度数据计算时，则如图6下部所示，需要在第0、第10和第20毫秒处进行三次成像。为此，合成每一幅深度数据图像需要拍摄对象持续21ms保持不动(因此更难以拍摄运动对象)，并且帧率也从100帧/s降至33.3帧/s。
相比之下，如果第一和第二图像传感器520和530是包括两个感光单元(例如，第一和第二图像传感器520和530各自包括子图像传感器523和524，以及子图像传感器533和534)的本发明的图像传感器，在要利用三幅图案进行深度数据计算时，则如图6上部所示，第一组感光单元在第0毫秒处进行针对图案1(例如，第一投射角度下的图案)的成像，紧接着第二组感光单元在第1毫秒处就进行针对图案2(例如，第二投射角度下的图案)的成像，随后在间隔10ms之后，第一组感光单元在第10毫秒处进行针对图案3(例如，第三投射角度下的图案)的成像，这样就完成一副深度数据图像所需的三次成像。随后，在第11毫秒，第二组感光单元就能开始下一轮针对图案1的成像。在第20毫秒，第一组感光单元进行针对图案2的成像。在第21毫秒，第二组感光单元再进行针对图案3的成像。这样，不同组感光单元成像的间隔仅需间隔成像所需时间(例如，1ms)，同一组感光单元的再次成像间隔则仍然遵循帧率对应的帧间隔时间(例如，10ms)。此时，通过引入两组同轴双目，合成每一幅深度数据图像仅需要拍摄对象持续11ms保持不动(因此更易于拍摄运动对象)，并且帧率能保持在接近66.6帧/s。
虽然结合图5和图6描述具有两组同轴(同光轴)感光单元的例子，但在其他实施例中，第一和第二图像传感器各自还可以包括更多个感光单元。图7示出了同轴三组双目成像的时序图。此时，第一和第二图像传感器各自可以包括同轴的三个感光单元(子图像传感器)。为此，如图7所示，第一组感光单元在第0毫秒处进行针对图案1的成像，紧接着第二组感光单元在第1毫秒处就进行针对图案2的成像，紧接着第三组感光单元在第2毫秒处就进行针对图案3的成像。随后，在第10毫秒开始下一轮的三组成像，在第20毫秒开始再下一轮的三组成像，并以此类推。此时，通过引入三组同轴双目，仅需3ms就可获取合成一幅深度数据图像所需的三组(6帧)图像，即拍摄对象只需要持续3ms保持不动，因此大大提升了针对运动对象的拍摄水平，并且帧率能保持在接近100帧/s(在此例中，拍摄100帧需要1003ms，即1.003秒)。
由此，应该理解的是，仅通过引入额外的一组同轴双目结构(或单目结构)，就可以将基于多帧合成的深度数据帧率提升一倍，并缩短每一帧的成像时间。理论上，可以布置与投射装置投射图像数量相同组数的同轴双目结构，由此使得每一深度帧的成帧时间与传感器的帧间隔，仅与曝光时间的倍数相关(在帧间隔大于曝光时间x同轴结构组数的情况下)。例如，在基于四幅图案合成深度帧的情况下，如果是使用如图5所示的两组同轴双目，则获取四帧的成像时间微涨至12ms，但帧率则跌至接近50帧/s。但如果使用四组同轴双目，则获取四帧的成像时间仅为4ms，并且帧率仍然保持为接近100帧/s。但过多的引入同轴结构会增加图像传感器的构造难度，为此需要在成本、可行性和成像速度上进行折中。
另外，应该理解的是，图6和图7为了说明同轴成像的性能而给出了在第一子图像传感器522成像1ms之后，第二子图像传感器523立即成像1ms的例子。然而在实际应用中，第一和第二子图像传感器的成像间隔还需要考虑驱动装置的驱动。具体地，如果是在驱动过程中直接进行成像并且对投射的确切角度没有要求，则可以在第一子图像传感器完成成像之后，直接进行如图6和图7所示的第二子图像传感器的成像。但如果对投射的确切角度有要求，或者需要驱动装置在曝光期间保持静止，则在第一子图像传感器完成成像之后，需要等待驱动装置运动到合适的位置(和/或变为合适的运动状态，例如，完全静止)，在进行第二子图像传感器的曝光。不过由于转镜和振镜的运动速度很快，因此等待时间相对较短，例如几十μs。
为了实现同一图像传感器内不同感光单元的同轴配置，需要对光路进行设计。在图5的例子中，示出了基于分束实现的同轴布置。此时，以第一图像传感器520为例，可以包括：镜片单元521，用于接收入射的返回结构光；分束装置522，用于将入射的返回结构光分成至少第一光束和第二光束；第一子图像传感器523，用于对第一光束进行成像；第二子图像传感器524，用于对对应于不同图案的返回结构光的第二光束进行成像。
在一个实施例中，分束装置522是光学棱镜，例如四方棱镜或三棱镜。由此，入射光中经反射的红外光到达第二子图像传感器524，入射光中未经反射的可见光则可进行直线传播至第一子图像传感器523。
如图所示，采用棱镜形式的分束装置522可以将入射光分成传播方向互相垂直的两束光束。相应地，第一子图像传感器523和第二子图像传感器524也可以垂直布置，以便各自以垂直角度接收入射的可见光和红外光光束。
为了消除视差并实现像素级对齐，需要入射光中的成分具有相同的光程。为此，在使用四分棱镜作为分束装置522的情况下，可以将第一子图像传感器523和第二子图像传感器524布置在与分束装置522的分束区域相距相等的距离处。而在使用三棱镜作为分束装置522的情况下，则可以根据空气与棱镜材料的折射率之比，灵活调整两个感光单元与分束装置522，尤其是与分束区域的距离。
第一子图像传感器523和第二子图像传感器524之间的像素级对齐可以通过使得入射光共享大部分光路并具有相同的光程来理论实现。但在图像传感器的实际制造过程中，会因为第一子图像传感器523和第二子图像传感器524的实际布置无法呈现理想的垂直和等距状况而造成两者成像之间的偏差。这时，可以对制造好的图像传感器进行强制软件矫正。例如，通过引入标定靶并使得第一子图像传感器523和第二子图像传感器524的成像都与标定靶对齐，从而实现真正的像素级矫正。换句话说，第一子图像传感器523和第二子图像传感器524之间的像素级对齐可以是精确像素级对齐，也可以是具有若干像素差并通过标定实现对齐。
如图所示，本发明的图像传感器520可以实现为单独的模块。为此，该图像传感器520还可以包括壳体，用于固定镜片单元、分束装置、和两个感光单元的相对位置。优选地，壳体可以结合镜片单元521形成密封体，以避免外界环境对所含器件的污染。在其他实施例中，本发明的图像传感器520可以是更大的模块(例如，深度数据测量头)的一部分，并且由该更大模块的壳体实现各元件之间的固定。
优选地，图像传感器520还可以包括分别连接至第一子图像传感器523和第二子图像传感器524的线缆。壳体则具有用于线缆接入的开口。在一个实施例中，线缆可以是柔性线缆，例如FPC(柔性电路板)线。
在一个实施例中，光束在入射第一子图像传感器523和第二子图像传感器524之前，还可以经过滤光片，以进一步滤除其他波长的光的影响。在一个实施例中，投射装置可以投射红外激光，因此图像传感器中布置的滤光片可以是相应的红外光透射单元，用于透过特定频率范围红外光，例如本发明中使用波长为780-1100nm的红外光。在其他实施例中，投射装置也可以投射可见光，例如投射红色激光或是蓝色激光，例如635nm的红光或者450nm的蓝光。虽然环境光中可能也包括红光或是蓝光，但是由于曝光时间短且激光瞬时光强大，因此也能够在对应的投射红光或是蓝光的滤光片的帮助下进行高信噪比的成像。
优选地，在分束装置是四方棱镜的情况下，滤光片的一侧可以直接与四方棱镜物理接触，另一侧与感光单元物理接触，而感光单元和四方棱镜则卡接在壳体内，由此确保各器件相对位置的高度不变性。
在某些实施例中，尤其是在第一和第二子图像传感器是用于接收投射的红外图案的红外光传感器的情况下，图像传感器中还可以布置额外的可见光感光单元(图中未示出)用来捕获被测物体的图像信息，从而使得图像传感器捕获的图像中既包含被测物体的图像信息又包含深度信息。可见光感应单元可以是灰度传感器，或是彩色传感器。其中灰度传感器仅捕获亮度信息，彩色传感器则可用于捕获被测物体的色彩信息，此时可见光感应单元可由三原色感应单元组成，其中三原色可以是红绿蓝三原色(RGB)也可以是青红黄三原色(CMY)。
应该理解的是，虽然基于图5具体描述的第一图像传感器520的结构，但第二图像传感器530也可以具有相同的结构。另外，应该理解的是，可以将523和533看作是第一组双目，524和534看作是第二组双目，但也可以将523和534看作第一组双目，524和533看所第二组双目，只要在相应的图案入射后接通成像即可。
在如图5所示利用分束实现光路共享的情况下，由于每一个感光单元获取的光亮会减少，为此可以通过增加投射亮度或是扩大入射光圈的方法来确保成像的敏感性或是有效距离范围。
为此，作为替换，还可以基于光路转换来实现光路共享。此时，第一和第二图像传感器520和530可以各自包括：镜片单元，用于接收入射的返回结构光；光路转换装置，用于将入射的返回结构光输送至至少第一子路径和第二子路径；第一子图像传感器，用于在第一子路径上对返回结构光进行成像；第二子图像传感器，用于在第二子路径上对对应于不同图案的返回结构光进行成像。在一个实施例中，光路转换装置可以是转镜，其可以在例如第0毫秒将入射光反射至感光单元523，在第1毫秒将入射光反射至感光单元524等等。在其他实施例中，光路转换装置也可以是基于其他机械、化学或电学原理进行光路转换的装置。
在投影装置进行全图案投影(而非扫描式投影)的情况下，虽然图像传感器可以是卷帘式图像传感器，但优选实现为全局图像传感器(即，所有像素同时进行成像)。
如前所述，投影装置可以包括以预定频率往复振动的振镜，例如MEMS振镜或是机械振镜，用于以预定频率和运动范围向所述拍摄区域扫描投射结构光。由于振镜可以实现极高的振动频率，例如，每秒2k，因此使得无法直接利用MEMS振镜的启动信号来进行同步(因为延时不可靠)，因此在需要进行同步(例如，获知转动角度)的场景中，考虑到微镜器件相位振动的特性，可以在同步装置中包括用于实时测量振镜的振动相位的测量装置。
在一个实施例中，上述测量可以基于出射光本身。于是，上述测量装置可以是一个或多个光电传感器(例如，两个光电二极管PD)，并且所述两个光电传感器以如下任一方式布置：布置在所述投影装置的不同出射路径上；布置在所述投影装置内的不同反射路径上；以及分别布置在所述投影装置内外的出射和反射路径上。可以合理选择光电传感器的布置方式，以使其在准确测量相位的同时，不对结构光的正常投影产生影响。可将PD安装在投影装置内，通过测量激光出射光窗时的反射角来确定瞬时的振动相位。由于MEMS振镜的振动相位成正弦分布，因此一个PD就能确定正弦分布信息，而更多的PD有助于更准确的测量相位。在其他实施例中，也可以将PD安装在投影装置外，例如，安装在光窗上，例如靠近光窗边缘以防止对拍摄区域内投影的影响。在其他实施例中，还可以利用其他方式进行相位测量，例如进行电容测量。
但是在其他实施例中，投影装置可以包括单向转动的机械转镜，相应地，在需要进行同步时，同步装置所包括的测量装置可以是用于实时测量所述反射装置的电机旋转角度的角测量器。
在如上的实施例中，投射与曝光之间的同步通过控制图像传感器的曝光来实现。这可以用于光源投射角度可控的情况下(例如，可以通过电压和电流来控制机械振镜的角度和转速)，并且尤其适用于光源扫描的相位和速度不可控(例如，对于MEMS振镜或机械转镜)的情况。于是，MEMS振镜可以使用PD或者电容来检测角度，机械转镜也可以通过电压检测或光电编码来实现位置检测。
根据本发明的另一个实施例，还可以实现为一种深度数据计算设备，包括：如上所述的深度数据测量头；以及与所述深度数据测量头相连接的处理器，用于在双目方案下根据第一和第二图像传感器的预定相对位置及其对所述结构光成像得到的所述一组图像帧对，确定所述拍摄区域中拍摄对象的深度数据。
本发明还可以实现为一种深度数据测量方法。图8示出了根据本发明一个实施例的深度数据测量方法的示意性流程图。该方法可以结合本发明的结构光投射装置、测量头和计算装置来实现。
在步骤S810，对光源模块出射的带散斑图案的光束进行转动反射。
在步骤S820，使用相对位置固定的第一和第二图像传感器对被测空间进行至少两次成像，以获取至少两组图像，其中，在所述至少两次成像中，被测空间被投射了由于所述转动反射而呈现出的不同散斑图案。在步骤S830，从所述至少两组图像中求取深度数据并进行深度数据融合。
在使用同轴双目结构的情况下，使用相对位置固定的第一和第二红外光图像传感器对被测空间进行至少两次成像包括：使用具有预定相对位置关系的第一子图像传感器对进行第一次成像以获取第一图像帧对；使用第二子图像传感器对进行第二次成像以获取第二图像帧对，其中，第一和第二子图像传感器对中各自的一个子图像传感器共用至少部分光路并组成第一图像传感器，第一和第二子图像传感器对中各自的另一个子图像传感器共用至少部分光路并组成第二图像传感器，所述第一和第二图像帧对用于所述拍摄区域的单次深度数据计算。
上文中已经参考附图详细描述了根据本发明的结构光投射装置、深度数据测量头、计算设备和测量方法。本发明的深度测量方案使用改进的、能够以不同角度反射光源模块产生的结构光的结构光投射装置，从而能够实现更为快速、经济且故障率低的多图案投射。进一步地，该结构光投射装置能够与共有光路的多对双目传感器相配合，从而进一步缩短帧间隔，提升深度融合数据的质量。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的***和方法的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标记的功能也可以以不同于附图中所标记的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (19)

1.一种结构光投射装置，包括：
光源模块，用于生成并出射带纹理的光束；
转向投射模块，包括：
布置在所述光束的出射路径上的反射装置，用于对入射的所述光束进行反射，以使所述光束出射；
连接至所述反射装置的驱动装置，用于改变所述反射装置相对于入射的所述光束的角度，以改变所述光束的出射方向。
2.如权利要求1所述的结构光投射装置，其中，所述光源模块包括：
激光发生器，用于发射激光光束；
布置在所述激光光束的出射光路上的衍射光学元件，用于使得入射激光发生衍射并使其被调制成具有特定投射规则的离散光斑；或者
泛光光源，用于生成泛光；以及
布置在所述泛光光源上的掩膜，用于将所述泛光转换成具有特定投射规则的离散光斑。
3.如权利要求1所述的结构光投射装置，其中，所述驱动装置控制所述反射装置沿轴向运动，其中，从所述光源模块出射的光束以与所述轴向垂直的方向入射至所述反射装置，并基于所述反射装置的轴向运动，改变出射方向。
4.如权利要求1所述的结构光投射装置，其中，所述转向投射模块是机械振镜，并且所述反射装置沿轴向往复运动；或者
所述转向投射模块是机械转镜，并且所述反射装置沿轴向进行单向运动。
5.如权利要求1所述的结构光投射装置，其中，所述转向投射模块在连续运动期间的预定窗口期保持静止。
6.一种深度数据测量头，包括：
如权利要求1-5中任一项所述的结构光投射装置，用于在驱动装置驱动不同的投射角度下向被测空间投射带有纹理的光束，以在被测空间中的待检测物体上形成不同的纹理；以及
分别布置在所述结构光投射装置两侧的第一和第二图像传感器，所述第一和第二两个图像传感器之间具有预定的相对空间位置关系，并在所述反射装置的运动过程中对被测空间进行至少两次成像，以获取具有不同纹理分布的至少两组图像，其中所述至少两组图像用于获取待检测物体的单次测量深度数据。
7.如权利要求6所述的深度数据测量头，还包括：
控制器，用于控制所述光源模块在所述第一和第二图像传感器曝光时同步点亮。
8.如权利要求6所述的深度数据测量头，还包括：
控制器，用于控制所述驱动装置在所述第一和第二图像传感器的曝光期间保持静止。
9.如权利要求6所述的深度数据测量头，其中，所述第一和第二图像传感器各自包括至少共用部分光路的至少两个子图像传感器，所述至少两个子图像传感器各自用于进行所述至少两次成像中的一次成像。
10.如权利要求9所述的深度数据测量头，包括：
控制器，使得所述第一和第二图像传感器各自包括至少两个子图像传感器同步地以所述第一间隔相继进行成像，所述第一间隔小于所述子图像传感器的帧成像间隔。
11.如权利要求10所述的深度数据测量头，其中，所述控制器用于：
使得每个子图像传感器以不小于所述子图像传感器的帧成像间隔的第二间隔进行自身的下一帧成像。
12.如权利要求9所述的深度数据测量头，其中，所述第一和第二图像传感器各自包括：
镜片单元，用于接收入射的返回结构光；
分束装置，用于将入射的返回结构光分成至少第一光束和第二光束；
第一子图像传感器，用于对第一光束进行成像；
第二子图像传感器，用于对对应于不同图案的返回结构光的第二光束进行成像。
13.如权利要求9所述的深度数据测量头，其中，所述第一和第二图像传感器各自包括：
镜片单元，用于接收入射的返回结构光；
光路转换装置，用于将入射的返回结构光输送到至少第一子路径和第二子路径；
第一子图像传感器，用于在第一子路径上对返回结构光进行成像；
第二子图像传感器，用于在第二子路径上对对应于不同图案的返回结构光进行成像。
14.如权利要求12或13所述的深度数据测量头，其中，所述第一子图像传感器和所述第二子图像传感器与所述分束装置的分束区域或所述光路转换装置的光路转换区域相距相等的距离。
15.如权利要求12或13所述的深度数据测量头，其中，所述第一子图像传感器和所述第二子图像传感器是像素级对齐的。
16.如权利要求12或13所述的深度数据测量头，其中，所述第一和第二图像传感器各自包括的至少共用部分光路的至少两个子图像传感器是红外光传感器；和/或
所述第一和第二图像传感器各自包括：
可见光图像传感器，用于对入射的结构光进行成像，其中所述可见光传感器与第一和/或第二图像子传感器共用至少部分光路。
17.一种深度数据计算设备，包括：
如权利要求6-16中任一项所述的深度数据测量头，以及
处理器，用于获取所述至少两组图像，并根据所述第一和第二图像传感器之间的预定相对空间位置关系，确定每组图像中所述纹理的深度数据，将基于所述至少两组图像确定的深度数据融合，得到新的深度数据，作为待检测物体的单次测量深度数据。
18.一种深度数据测量方法，包括：
对光源模块出射的带散斑图案的光束进行转动反射；
使用相对位置固定的第一和第二图像传感器对被测空间进行至少两次成像，以获取至少两组图像，其中，在所述至少两次成像中，被测空间被投射了由于所述转动反射而呈现出的不同散斑图案；
从所述至少两组图像中求取深度数据并进行深度数据融合。
19.如权利要求18所述的方法，其中，使用相对位置固定的第一和第二红外光图像传感器对被测空间进行至少两次成像包括：
使用具有预定相对位置关系的第一子图像传感器对进行第一次成像以获取第一图像帧对；
使用第二子图像传感器对进行第二次成像以获取第二图像帧对，其中，第一和第二子图像传感器对中各自的一个子图像传感器共用至少部分光路并组成第一图像传感器，第一和第二子图像传感器对中各自的另一个子图像传感器共用至少部分光路并组成第二图像传感器，所述第一和第二图像帧对用于所述拍摄区域的单次深度数据计算。
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