JP7244013B2 - エピポーラ飛行時間撮像のための方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ONRによって授与されたN000141512358、NSFによって授与された11S1317749、DARPAによって授与されたHR00111620021、ならびにNASAによって授与された助成NNX16AD98GおよびNNX14AM53Hの下で政府支援により行われた。政府は本発明に特定の権利を有する。
CW-ToFカメラは、露出が積分中に変調もされる、時間変調された光源およびセンサを使用する。照明変調関数がfωt=cos(ωt)であり、センサ変調関数がgω,φ(t)=cos(ωt+φ)である場合、ここでωはrad/sでの変調周波数であり、φは光源とセンサ変調関数との間の位相オフセットであるが、画素xにおける測定値は:
図2は、エピポーラToF撮像を実施するためのシステムの概略図である。変調レーザ光の可動シートを発生させるプロジェクタが、行を一度に1つ露出させることができるToFセンサと組み合わせられる。プロジェクタおよびセンサは、光シートが常にプロジェクタとカメラとの間のエピポーラ面にあるように、平行化された(rectified)ステレオ構成で配置される。任意の所与の時点において、エピポーラ面におけるカメラ画素の行だけが光に露出される。
1. すべての他の画素をマスクするためにデジタルマイクロミラーデバイス(DMD:digital micro-mirror device)を使用する;
2. 1Dセンサおよび制御可能なミラーを使用して、撮像すべきエピポーラ面を選択する;または
3. 制御可能な対象領域(ROI:region of interest)を有する2Dセンサを使用する。
CW-ToFは、深度を回復するのに少なくとも2つの画像を必要とする。エピポーラToFを使用してシーン全体をカバーするために、アクティブなエピポーラ面は、視野にわたって掃引されなければならない。このことが、エピポーラ面がサンプリングされる順序を選択する柔軟性を提供する。
図4(a)に示される、エピポーラToF撮像のためのプロトタイプデバイスが、照射のためのガルバノミラーベースの光シートプロジェクタおよび撮像のための調整可能な対象領域を有するToFセンサを使用して構築された。図4はプロトタイプの描写である。画素の任意の行をキャプチャするための高速ROI制御を有するDME660カメラおよび光源としての特注の可動光シートプロジェクタが、プロトタイプに使用された。本明細書に説明されるプロトタイプは、本発明の1つの特定の実施形態の典型に過ぎないこと、および異なる機器および動作パラメータを利用する他の実施形態が、本発明の範囲内に含まれることが、当業者によって理解されるはずである。
実際には、センサから読み出された測定値は、観測されたとき、それらの期待値に合致しない。固定パターン雑音、不均等な感度、およびタップと各画素における実際の露出変調関数の位相の変動との間のクロストークを含めて、この不一致にはいくつかの理由がある。期待されるセンサ測定値Ιω(x)と観測された測定値
プロトタイプを用いて行を撮像するのに必要な時間(および、さらに言うとフレームレート)は、n、1行当たりの読出しの数と、露出時間texp、行に対する読出し時間treadと、tmirror、サンプリングシーケンスにおいてガルバノミラーが次の行位置へ移動するために要する時間との関数である。
現在、フレームレートの主なボトルネックは読出し時間である。本発明の実施形態は、読出しごとにセンサの1つの行だけからのデータを必要とするが、EPC660センサがサポートする最小対象領域は、高さが4つの行であり、現実には1つの行だけが使用されるとき、4つの行の読取りが強制される。さらに、開発キットは、センサのデータバスを20MHzに制限するが、センサ自体は、最大80MHzまでのバスレートをサポートする。texpの最小値は、光源のピークパワーおよび所望のレンジに依存する。説明される本発明のプロトタイプは、700mWのピークパワーを有する源を有するが、他のほとんどの実験的な飛行時間システムは、3Wから10Wの範囲のピーク光源パワーを有する。より明るい光源を使用する場合、レンジの損失なく、より短い露出時間を使用することができる。最後に、低費用のガルバノミラーは、より高速の1D MEMsミラーで置き換えることができる。これらの改善により、説明されるプロトタイプに基づくシステムは、ビデオフレームレートで動作するはずである。
周囲光および大域照明の下で性能を比較するためにセンサを通常の撮像モードで動かすために、センサ全体が、小さなROIを使用する代わりに、一挙に露出され、センサは、シートプロジェクタが視野にわたる掃引を終了するまで露出されたままである。マルチデバイス干渉およびカメラの動きの実験における通常のToF撮像では、シートプロジェクタは、拡散源で置き換えることができる。
エピポーラ撮像を明るく照らされた環境の飛行時間に適用する利益が、シミュレートされ、結果は図7に示される。所与の光源パワーでは、通常の撮像により、周囲光レベルが0lx(完全な闇)から100klx(直射日光)に増大するにつれて、深度精度が急速に劣化する。エピポーラ撮像の場合、劣化はよりずっと緩やかである。
図9は、少数の一般的な屋内環境における大域照明の効果を抑制するエピポーラ撮像の能力を示す。これらの結果は、単一の変調周波数(24MHz)を使用して発生される。部屋の角において、壁と天井との間の拡散相互反射により、深度は過大評価され、通常の撮像では角の丸み付けが生じる。
エピポーラCW-ToF撮像により、同じ変調周波数で動く2つのカメラは、通常、各画像における画素のスパースなセットにおいてただ互いに干渉するだけであり得る。各カメラは、一度にシーンにおける単一のラインを照射し、撮像し、したがって、任意の時点において、二番目のカメラは、その照射されたラインが一番目のカメラの露出された画素の行と交差する点において一番目のカメラとただ干渉するだけであり得る。1つのカメラの光源が、平行化されたステレオペアを二番目のカメラのセンサと形成し、両方のカメラがたまたま同期されたとき、悪化した場合が起きるが、これはまれな出来事とみなすことができる。
知られている回転軌道(MEMSジャイロスコープから得た)を有する回転するカメラを使用する場合、通常の撮像により、各キャプチャされたToF測定値は、測定値が互いに整合しないので、動きぼけ、および深度不連続における強いアーチファクトを有する。理論的には、これらは、空間的に変化するデコンボリューションを使用して収集することができるが、これは、計算的に高価であり、高周波数成分を回復することが下手である。エピポーラToF撮像を使用する場合、動きぼけは、基本的に何も影響がなく、ロールシャッタに似た効果を有する深度マップが取得される。これは、回転から計算された単純な画像ワープを用いて補正することができる。図1(d)は、急速にパンするカメラからの例を示し、シーン露出の間に深刻なカメラぶれが存在する場合でも歪んでいない深度マップを得ることができる(通常のToFにおいて取り除くのが困難なゴーストエラーを観測することができる)ことを示す。さらに、前述したように、センサは、そして私はあなたであるを装備することができ、それはプラットフォームのプロモーション(promotion)を補償するのに使用される。
Claims (31)
- システムであって、
変調された光源と、
センサであって、変調された光源によって投射された光シートがプロジェクタとセンサとの間のエピポーラ面にあるように、変調された光源およびセンサが、平行化されたステレオ構成にある、センサと、
変調された光源とセンサとを同期させ、構成するためのマイクロコントローラと
を備え、
変調された光源は、一連のエピポーラ面に沿って、変調された光のシートを投射するように構成され、一連のエピポーラ面が視野を画定しており、
前記センサは、前記一連のエピポーラ面における各エピポーラ面からの前記視野内の照射された画素の行を撮像するように構成され、前記撮像は、前記一連のエピポーラ面における次のエピポーラ面に移動する前に、各エピポーラ面に対する一組の変調位相内の全ての変調位相をキャプチャし、
視野におけるエピポーラ面が、変化する順序で照射され、感知される、システム。 - 変調された光源が、
a. レーザ光源と、
b. レーザ光源のコリメートされた出力から光シートを発生させるように構成された光学素子と、
c. プロジェクタとセンサとの間の一連のエピポーラ面に沿って、レーザ光のシートを誘導するための手段と
を備える、請求項1に記載のシステム。 - レーザ光のシートを誘導するための手段が、回転可能なガルバノミラーおよびMEMSミラーを含む群から選択される、請求項2に記載のシステム。
- センサが、制御可能な対象領域を有する連続波飛行時間カメラである、請求項2に記載のシステム。
- 投射された光シートが、センサにおける画素の単一の行を照射し、さらに、センサの制御可能な対象領域が、照射された画素の単一の行を感知するようにすべて設定される、請求項4に記載のシステム。
- レーザ光プロジェクタおよびセンサが、センサの対象領域が、現在照射されているエピポーラ面内の画素の行を感知するように設定されるように同期される、請求項5に記載のシステム。
- センサが、各照射されたエピポーラ面から少なくとも2つの画像をキャプチャする、請求項6に記載のシステム。
- 投射された光シートが、反復する波として変調され、さらに、戻された反射の位相によって、感知された深度が、各感知された画素に対して計算されることができる、請求項7に記載のシステム。
- 視野全体の深度マップが、視野内の各照射されたエピポーラ面から各感知された画素に対して計算された深度に基づいて作成される、請求項8に記載のシステム。
- マイクロコントローラが、前に照射されたエピポーラ面に関するデータをセンサから読み取り、その一方で、ガルバノミラーが、一連のエピポーラ面における次のエピポーラを照射する位置まで回転される、請求項9に記載のシステム。
- 方法であって、
平行化されたステレオ構成で配置された変調された光源およびセンサによって画定された一連のエピポーラ面に沿って、変調された光のシートを投射するステップであって、一連のエピポーラ面が視野を画定する、ステップと、
前記一連のエピポーラ面における各エピポーラ面からの前記視野内の照射された画素の行を撮像し、前記撮像は、前記一連のエピポーラ面における次のエピポーラ面に移動する前に、各エピポーラ面に対する一組の変調位相内の全ての変調位相をキャプチャする、ステップと、
一組の変調位相における変調位相のうちの2つ以上に基づいて、照射された画素の単一の行における各画素の深度を決定するステップとを含み、
視野におけるエピポーラ面が、変化する順序で照射され、感知される、方法。 - 各画素の深度を決定するステップが、各画素からの反射光の位相に基づいて各画素の深度を計算するステップを含む、請求項11に記載の方法。
- 照射されたエピポーラ面における各画素の深度を計算するステップが、照射されたエピポーラ面の2つ以上の別々の画像に含まれる反射光の位相の差を決定するステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 画定された視野内の各照射されたエピポーラ面における各画素の深度に基づいて深度マップを作成するステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- センサの対象領域が現在照射されているエピポーラ面に対応するように、変調された光源とセンサとを同期させるステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 変調された光源が、
レーザ光源と、
レーザ光源のコリメートされた出力から光シートを発生させるように構成された光学素子と、
プロジェクタとセンサとの間の一連のエピポーラ面に沿って、レーザ光のシートを誘導するための手段と
を備える、請求項11に記載の方法。 - 非一時的コンピュータ可読媒体であって、実行されたとき、
平行化されたステレオ構成で配置された変調された光源およびセンサによって画定された一連のエピポーラ面に沿って、変調された光のシートを投射し、一連のエピポーラ面が視野を画定しており、
前記一連のエピポーラ面における各エピポーラ面からの前記視野内の照射された画素の行を撮像し、前記撮像は、前記一連のエピポーラ面における次のエピポーラ面に移動する前に、各エピポーラ面に対する一組の変調位相内の全ての変調位相をキャプチャし、
一組の変調位相における変調位相のうちの2つ以上に基づいて、照射された画素の単一の行における各画素の深度を決定し、
画定された視野内の各照射されたエピポーラ面における各画素の深度に基づいて深度マップを作成する
機能を実施するソフトウェアを含み、
視野におけるエピポーラ面が、変化する順序で照射され、感知される、非一時的コンピュータ可読媒体。 - 各画素の深度を決定することが、各画素からの反射光の位相に基づいて各画素の深度を計算することを含み、照射されたエピポーラ面における各画素の深度を計算することが、照射されたエピポーラ面の2つ以上の別々の画像に含まれる反射光の位相の差を決定することをさらに含む、請求項17に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
- ソフトウェアが、センサの対象領域が現在照射されているエピポーラ面に対応するように、変調された光源とセンサとを同期させるさらなる機能を実施する、請求項17に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
- 変調された光源が、
レーザ光源と、
レーザ光源のコリメートされた出力から光シートを発生させるように構成された光学素子と、
プロジェクタとセンサとの間の一連のエピポーラ面に沿って、レーザ光のシートを誘導するための手段と
を備える、請求項11に記載の方法。 - エピポーラ面のサブセットだけが撮像される、請求項11に記載の方法。
- エピポーラ面が、インターリーブされたまたは鋸歯状パターンで照射され、感知される、請求項11に記載の方法。
- 1つのエピポーラ面が、別のエピポーラ面をサンプリングする前に複数回照射され、感知される、請求項11に記載の方法。
- 視野が、複数の部分を含み、部分が、異なる時間的走査レートで照射され、感知される、請求項11に記載の方法。
- エピポーラ面のサブセットだけが照射され、感知される、請求項17に記載の媒体。
- エピポーラ面が、インターリーブされたまたは鋸歯状パターンで照射され、感知される、請求項17に記載の媒体。
- 1つのエピポーラ面が、別のエピポーラ面をサンプリングする前に複数回照射され、感知される、請求項17に記載の媒体。
- 視野が、複数の部分を含み、部分が、異なる時間的走査レートで照射され、感知される、請求項17に記載の媒体。
- エピポーラ面が、インターリーブされたまたは鋸歯状パターンで照射され、感知される、請求項1に記載のシステム。
- 1つのエピポーラ面が、別のエピポーラ面をサンプリングする前に複数回照射され、感知される、請求項1に記載のシステム。
- 視野が、複数の部分を含み、部分が、異なる時間的走査レートで照射され、感知される、請求項1に記載のシステム。
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