CN101142822A - 3d成像系统 - Google Patents
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Abstract
描述了一种3D成像系统。该3D成像系统包括：照明单元，用于将光发射到目标场景上；成像传感器，用于通过检测散射/反射光来对目标场景进行成像；估计单元，用于基于光传播时间来确定涉及该目标场景的距离信息；以及，同步装置，用于将同步信息提供给该估计单元。该同步装置包括用于在该照明单元中生成电参考信号的装置，该参考信号直接从发射光得到。
Description
技术领域
本发明涉及3D(三维)成像系统。
背景技术
用于对给定的空间部分创建3D表示的系统，在许多不同领域具有各种可能的应用。例如，自动传感技术(如车辆乘员检测和分类)、机器人传感技术(如对象识别)、安全工程(如工厂监视)等等。与常规的2D成像相反，3D成像系统需要目标场景的纵深信息，即需要确定一个或者多个观察目标与系统的光接收器之间的距离。例如在雷达应用中，用于距离测量的公知方法是对已发送的测量信号的发送和回音之间的时间间隔进行记录。此方法所基于的原理是：对于在给定介质中具有已知传播速率的信号，通过传播速率与该信号来回行进所花费的时间的乘积来得到待测量的距离。
在光学成像系统的情况下，该测量信号包括光波。为了介绍的目的，使用简化的术语“光”，应该将此术语理解为包括通常的电磁波并且尤其包括不可见的光谱(如IR和UV)。
借助于光波的距离测量通常需要发射光随时间变换。除了其它技术，两种已知的技术是所谓飞逝时间(TOF)法和所谓相移法。在相移测量中，(例如通过正弦调制)周期性地对发射光的幅度进行调制。在TOF测量中，通常以脉冲形式发射出光，而没有周期性要求。在相移测量中，调制周期通常约等于最大测量距离的两倍除以光速。在此方法中，借助于发射的和接收的光信号之间的相位比较，将传播时间间隔确定为相位差。这种相位比较要求调制与发射的光信号同步。由于光速所给定的高传播速率，在基于TOF或者相移法的距离测量中出现的根本困难在于测量设备所需要的时间分辩率。事实上，量级为厘米的空间分辩率需要量级为10-11秒(10ps)的时间分辩率。
通过脉冲光和相移法，通常在电域中测量时间间隔。因此，电传播时间和影响了测量设备中同步的延迟对测量准确性具有决定性的影响。在这方面的实际问题是在信号线上电传播时间的未知的变化和漂移，以及电子组件中的延迟。一方面，在相同类型的设备之间发生固定的变化，例如，由于生产过程(例如半导体生产)中的公差。另一方面，在操作中发生时间变化漂移，例如，由于温度变化或者组件老化。这些变化和漂移对测量准确性具有决定性的影响。
结果，通过提供更可靠的同步来努力克服此问题。例如，Schwart在WO98/10255中提出，提供从光发射模块到光接收照相机的一个或多个传感器单元的光学反馈路径。如Schwarte在DE 44 39 298中所示，通过例如用光纤来引导发射光在不反射的情况下到达接收机，可以获得用于同步目的的相位参考。
发明内容
本发明的目的在于提供一种克服了前述问题的改进的3D成像系统。
为了克服上述问题，本发明提供了一种3D成像系统，其包括：照明单元，用于把光发射到目标场景上；以及成像传感器，用于通过检测散射/反射光来对目标场景进行成像。该系统还包括估计单元，用于基于光传播时间来确定涉及该目标场景的距离信息；以及，同步装置，用于将同步信息提供给该估计单元。根据本发明的一个重要方面，该同步装置包括用于在该照明单元中生成电参考信号的装置，直接从发射光中得到该参考信号。将光传播时间理解为所发射的时变光的特定区分标志从照明单元传播到对其进行反射和散射的目标，并且从该目标传播回到对其进行检测的成像传感器所需的时间间隔。通过任何适当的方法，例如前述TOF或者相移法，来测量光传播时间。
在相移方法的情况下，照明单元发射时间调制的周期性光信号。此光信号允许确定时间间隔，在此情况中将该时间间隔测量为照明单元所发射的光信号和成像传感器所检测的散射/反射光信号之间的相位差。借助已知的解调技术，通过适当的成像传感器，来获得此相位差，并且估计单元用此相位差来获得所需的距离信息。为了降低前述的测量误差，3D成像系统包括同步装置，该同步装置具有通过提供电参考信号，来直接从照明单元的发射光中提取或者得到相位信息的装置。此参考信号提供了用作同步的参考相位信息，并被估计单元用来纠正距离计算。与已知的通过引导发射光到成像传感器上来获得参考相位的方法相比，完全去除了对于光导体的需要以及费力的机械装配与光屏蔽。尽管大体上通过参考相移法示出了本发明，很容易将本发明应用于使用了脉冲光(TOF)测量或类似方法的3D成像系统。
为了进一步改善同步，最好将用于生成电参考信号的装置放置得与照明单元的至少一个光源相邻接。通过最小化光和/或电信号线长度，参考信号的相位与发射光的相位具有最大一致。将会了解到，成像传感器在操作上独立于该用于生成电参考信号的装置。因此，当根据本发明来改善同步时，无需对成像传感器进行机械改动。
在第一实施例中，用于生成电参考信号的装置包括分路电阻，用于提供作为照明单元的照明电流的函数的电压。此实施例提供了简单、经济然而可靠的解决方案。在本发明的变体中，用于生成电参考信号的装置可以包括配置在照明单元中的光电转换器。例如在第二实施例中，光电转换器是光电二极管，其允许立即检测由照明单元所发射的光。在第三实施例中，光电转换器是单独的传感器单元，其实质上具有与成像传感器的传感器单元相同的构造，允许立即检测由照明单元所发射的光。
在第一和第二实施例的情况下，同步装置优选包括混频器元件，用于再生成像传感器的传感器单元的特性。混频器元件和用于生成电参考信号的装置一起实质上模拟了放在照明单元之前零距离处的成像传感器的传感器单元。这对于直接参考测量提供了零相位差构造。
在3D成像系统中所使用的优选成像传感器包括二维像素阵列照相机。例如，现有的基于CCD(电荷耦合器件)、CMOS(互补性金属氧化半导体)和/或TFA(ASIC上的薄膜)技术的集成锁定像素照相机芯片适用于根据本发明的3D成像系统。
有利的是，估计单元包括连接到所述成像传感器和所述同步装置的信号处理单元。取决于所使用的信号处理单元和现有的3D成像系统构造，可以将用于生成电参考信号的装置相对不费力地集成到现有设计中。
附图说明
通过参考附图来对非限制性实施例所作的以下详细描述，本发明将变得更加清楚，其中：
图1是现有技术的3D成像系统的示意图；
图2是根据本发明的第一实施例的3D成像系统的示意图；
图3是根据本发明的第二实施例的3D成像系统的示意图；
图4是根据本发明的第三实施例的3D成像系统的示意图；
具体实施方式
图1示出了3D成像系统，通常将其标识为参考标号10。图1的3D成像系统10在本领域中是已知的，并且在例如WO98/10025中对其进行了描述。3D成像系统10包括：照明单元12，用于将光发射到目标场景上；成像传感器14，用于对目标场景进行成像。实质上已知成像传感器14包括所需的光学附件，例如聚焦透镜(未示出)和以任何适当技术执行的电子照相机芯片，例如CCD、CMOS和/或TFA。因此成像传感器14包括各个锁定像素传感器单元16的二维阵列，每个传感器单元16对一小部分目标场景进行成像，从而创建一个像素接一个像素的图像
照明单元12包括若干诸如发光二极管(LED)的单独的发光设备18，借助于照明驱动器20来对其进行集体驱动。信号源22提供了照明驱动器20和光栅(photo gate)驱动器24的输入信号。将光栅驱动器24的输出端连接到成像传感器14。将包括诸如数字信号处理器(DSP)的适当电子计算设备的估计单元26连接到成像传感器14的输出端。
在操作中，3D成像系统10基于相移测量法，按照以下概括的方法来工作。信号源22在其输出端生成调制信号E1，并且将此调制信号E1馈送到照明驱动器20。后者用驱动信号E2来驱动照明单元12，以将时间调制的光信号L1发射到包括对象30(为了说明的目的)的目标场景。光信号L1的时间调制的例子是正弦幅度(即光强度)调制或者周期性脉冲发射方案。目标30对调制的光信号L1进行反射或者散射，以形成返回光信号L2，成像传感器14将返回光信号L2接收为入射光。调制信号E1还馈送到光栅驱动器24，光栅驱动器24将调制信号E1转换成解调信号E3。成像传感器14接收此解调信号E3。借助解调信号E3和检测的光信号L2，成像传感器14产生相位信息信号E4，将该相位信息信号E4馈送到估计单元26，以提取关于对象30的距离信息。可以在WO98/10255以及其它相关文献中找到关于图1所示意性示出的3D成像技术的进一步的细节。
如上所述，由于未知的和/或时变的信号传播时间和组件延迟，图1所示的设备的测量准确性会受限。事实上，理想状态下，在由照明单元12所发射的光信号L1和解调信号E3之间没有相位差。然而，由于若干因素，例如在照明驱动器20和光栅驱动器24中的时变延迟，在这些相位之间引入了不可控制的相位差。这些相位差对同步产生负面影响。结果，在距离信息的确定中可能发生重大的误差，其中该距离信息的确定基于由照明单元12所发射的光信号L1和由成像传感器14所检测的光信号L2之间的相位关系。
图2-4示出了通过直接提取或产生照明单元12中所发射的光信号L1的相位来降低测量误差的新颖3D成像系统的不同的实施例。在图2-4中，把相同的参考标号赋予与图1相同的或相似的元件。只有在元件和功能关系与图1中所示不同时才对其再次详述。
图2示出了根据第一实施例的3D成像系统100。将分路电阻110串联到照明单元12的发光设备18和接地端。分路电阻110提供了与通过发光设备18的照明电流成正比的电压。将此电压作为电参考信号E5馈送到混频器元件120。为了将电参考信号E5和(照明单元12上的)光信号L1的绝对时间特性之间的一致性最大化，将电阻110放置得与照明单元12中的发光设备18尽可能近。然而，可以在估计单元130的最后估计期间考虑不可避免的传播时间。混频器元件120与成像传感器14的单独的传感器单元16实质上具有相同的特性，尤其实质上具有相同的传递函数，除了混频器元件120将电压而不是光信号作为输入来接受。混频器元件120在进一步的输入中接收解调信号E3，并且提供同步信号E6。为了简单起见，混频器元件120和电阻110实质上对放置在照明单元12之前零距离处的单独的锁定像素传感器单元16的输出进行再生。因此，分路电阻110与混频器元件120共同形成了同步装置，用于将参考相位信息提供给估计单元130。估计单元130使用同步信号E6来计算参考距离，并且从基于相位信息信号E4所计算的距离中减去参考距离。从而，实质上降低了由图1的现有技术装置所引入的测量误差。
图3中示出了第二实施例。图3的3D成像系统200实质上对应于图2的系统。3D成像系统200中的主要区别在于用于生成电参考信号E5的装置不同。如图3中所示，将光电二极管210装配在照明单元12中，与发光设备18相邻。光电二极管210通过光电转换，直接从发射的光信号L1获得电参考信号E5。混频器元件220在其输入端接收光电二极管210的输出电流以及解调信号E3，并且在其输出端提供同步信号E6。类似于图2的混频器元件120，将混频器元件220设计为与光电二极管210一起作为成像传感器14的传感器单元16。3D成像系统200的其它特性与针对图2所述的3D成像系统100相同。
图4示出了3D成像系统300的进一步的实施例。在图4的3D成像系统300中，将单个独立传感器单元310紧挨着发光设备18放置在照明单元12中。感器单元310实质上与成像传感器14的传感器单元16相同。类似于传感器单元16，将解调信号E3馈送到传感器单元310。与图2和图3相比，由于传感器单元310直接提供具有同步信号E6的功能的电参考信号，图4的3D成像系统300不需要混频器元件。如我们所了解，放置在照明单元12中的独立的传感器单元310提供了实质上对应于零距离测量的相位参考。如上所述，估计单元330基于来自传感器单元310的同步信号E6和来自成像传感器14的相位信息E4，确定距离信息。
如图2-4所示，可以了解，由于直接从照明单元12的发射光信号L1得到电参考信号E5，其改善了同步。换句话说，参考信号E5提供了发射光信号L1上的绝对时间信息(考虑到图2中所忽略的发光设备18的响应时间)。此外，参考信号E5还指示了发光信号L1的强度，其为用于其他校准和/或测试目的的有用信息。
Claims (10)
1.一种3D成像系统，包括
照明单元，用于将光发射到目标场景上；
成像传感器，用于通过检测散射/反射光来对所述目标场景进行成像；
估计单元，用于基于光传播时间来确定涉及所述目标场景的距离信息；以及，
同步装置，用于将同步信息提供给所述估计单元；
其特征在于
所述同步装置包括用于在所述照明单元中生成电参考信号的装置，所述参考信号直接从所述发射光中得到。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述用于生成电参考信号的装置与所述照明单元的至少一个光源相邻接。
3.如权利要求1或2所述的系统，其中，所述用于生成电参考信号的装置在操作上独立于所述成像传感器。
4.如权利要求1到3中的任意一个所述的系统，其中，所述用于生成电参考信号的装置包括分路电阻，用于提供作为所述照明单元的照明电流的函数的电压。
5.如权利要求1到3中的任意一个所述的系统，其中，所述用于生成电参考信号的装置包括配置在所述照明单元中的光电转换器。
6.如权利要求5所述的系统，其中，所述光电转换器是光电二极管，其允许立即检测由所述照明单元所发射的光。
7.如权利要求5所述的系统，其中，所述光电转换器是独立的传感器单元，其实质上具有与所述成像传感器的传感器单元相同的构造，允许立即检测由所述照明单元所发射的光。
8.如权利要求1到6中的任意一个所述的系统，其中，所述同步装置包括混频器元件，用于再生所述成像传感器的传感器单元的特性。
9.如以上权利要求中的任意一个所述的系统，其中，所述成像传感器包括二维像素阵列照相机。
10.如以上权利要求中的任意一个所述的系统，其中，所述估计单元包括连接到所述成像传感器和所述同步装置的信号处理单元。
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