CN101496032A - 使用斑纹解相关的距离映射 - Google Patents

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Abstract

一种用于映射的方法包括将来自照射组件(30)的初级斑纹图案投射到目标区域(46)中。在目标区域中的离照射组件不同的各个距离处捕捉初级斑纹图案的多个基准图像。投射到目标区域中的物体(28)表面上的初级斑纹图案的测试图像被捕捉并且与基准图像进行比较，以便识别其中初级斑纹图案最接近地匹配测试图像中的初级斑纹图案的基准图像。基于识别的基准图像离照射组件的距离来估计该物体的位置。

Description

使用斑纹解相关的距离映射
技术领域
本发明一般涉及用于映射三维(3D)物体的方法和系统，具体涉及使用斑纹图案的光学测距。
背景技术
当相干光束穿过漫射体并投射到表面上时，可以在该表面上观察到初级斑纹图案。该初级斑纹由漫射束的不同分量之间的干涉所引起。在本专利申请和权利要求书中，在与次级斑纹相区别的意义上使用术语“初级斑纹”，所述次级斑纹是由相干光从物体的粗糙表面漫反射所引起的。
在台湾专利TW 527528B和美国专利申请09/616,606中，Hart描述了斑纹图案在高速3D成像系统中的使用，其公开内容通过引用结合于此。斑纹图案投射到物体上，并且从多个角度获取合成图案的图像。使用图案相关技术来使图像局部地交叉相关，并且通过使用关联的摄影机位置信息来辨析表面，以计算每个局部相关区域的三维坐标。
在美国专利6,101,269中，Hunter等人描述了另一种基于斑纹的3D成像技术，其公开内容通过引用结合于此。随机斑纹图案投射在3D表面上并由多个摄影机成像，以获得多个二维数字图像。处理二维图像以获得该表面的三维特征。
发明内容
现有技术中已知的基于斑纹的3D映射方法通常依赖于投射到物体上的斑纹图案的图像和基准表面上的相同斑纹图案的图像之间的交叉相关的计算。局部交叉相关峰值的位置指示物体表面上的点相对于基准表面的移位。因而，这些方法要求斑纹图案在离照射源的距离范围上相对不变化，并且它们能够仅在这个范围内进行有效的3D映射，其中可以找到足够强的交叉相关峰值。
另一方面，本发明的实施例使用与源有距离的斑纹图案的解相关来执行测距。在离照射源不同的距离范围处的基准表面上捕捉斑纹图案的基准图像。然后将投射到物体上的斑纹图案的图像与不同的基准图像进行比较，以便识别与物体上的斑纹图案最强相关的基准图案，从而估计该范围内的物体位置。然后，如果需要，物体上的斑纹图案和识别的基准图案之间的局部交叉相关可以用于执行物体表面的精确3D映射。
因此，根据本发明的实施例提供了一种用于映射的方法，包括：
将来自照射组件的初级斑纹图案投射到目标区域中；
在目标区域中的离照射组件不同的各个距离处捕捉初级斑纹图案的多个基准图像；
捕捉投射到目标区域中的物体表面上的初级斑纹图案的测试图像；
将测试图像与基准图像比较以便识别初级斑纹图案最接近地匹配测试图像中的初级斑纹图案的基准图像；以及
基于识别的基准图像离照射组件的距离来估计物体的位置。
在公开的实施例中，该方法包括：求出测试图像中的物体的多个区域上的初级斑纹图案与识别的基准图像中的初级斑纹图案之间的各个偏移量，以便导出物体的三维(3D)图。
典型地，不同的各个距离中的至少一些轴向间隔大于各个距离处的初级斑纹图案的轴向长度。
在一些实施例中，将测试图像与基准图像进行比较包括计算测试图像与基准图像中的至少一些中的每个之间的各个交叉相关，以及选择具有与测试图像最大的交叉相关的基准图像。
在公开的实施例中，捕捉测试图像包括在物体移动的同时捕捉一系列测试图像，并且估计位置包括跟踪物体在目标区域中的运动，其中物体是人体的部位，并且其中跟踪运动包括识别由人体的部位所做出的姿势和响应于该姿势而向计算机应用程序提供输入。
根据本发明的实施例，还提供了一种用于映射的设备，包括：
照射组件，其配置成将初级斑纹图案投射到目标区域中；
成像组件，其配置成在目标区域中的离照射组件不同的各个距离处捕捉初级斑纹图案的多个基准图像，并且捕捉投射到目标区域中的物体表面上的初级斑纹图案的测试图像；以及
图像处理器，其耦合成将测试图像与基准图像进行比较，以便识别其中初级斑纹图案最接近地匹配测试图像中的初级斑纹图案的基准图像，并且基于识别的基准图像离照射组件的距离来估计该物体的位置。
根据本发明的实施例，另外提供了一种计算机软件产品，包括存储程序指令的计算机可读介质，所述指令在由计算机读取时使计算机：接收由照射组件投射到目标区域中的初级斑纹图案的多个基准图像，其中在目标区域中的离照射组件不同的各个距离处捕捉基准图像；接收投射到目标区域中的物体表面上的初级斑纹图案的测试图像；将测试图像与基准图像进行比较，以便识别其中初级斑纹图案最接近地匹配测试图像中的初级斑纹图案的基准图像；以及基于识别的基准图像离照射组件的距离来估计该物体的位置。
附图说明
结合附图，从本发明的实施例的以下详细描述中，将会更充分地理解本发明，其中：
图1是根据本发明实施例的3D测距和映射系统的示意性图示；
图2是根据本发明实施例的斑纹成像装置的示意性顶视图；
图3是示意性示出根据本发明实施例的离照射组件不同距离处的斑纹图案之间的交叉相关的绘图；以及
图4是示意性图示根据本发明实施例的3D测距和映射方法的流程图。
具体实施方式
图1是根据本发明实施例的3D测距和映射系统20的示意性图示。系统20包括斑纹成像装置22，该成像装置22产生初级斑纹图案并将其投射到物体28上，并且捕捉在物体上出现的初级斑纹图案的图像。装置22的设计和操作细节示出在随后的附图中，并且在下文中参考附图对其进行描述。在2006年3月14日提交的PCT专利申请PCT/IL2006/000335中描述了系统20的原理和操作的其它方面，该专利申请被转让给本专利申请的受让人，其公开内容通过引用结合于此。
图像处理器24处理装置22所产生的图像数据，以便确定物体28的位置并执行物体的3D测距和映射。如在本专利申请和权利要求书中使用的术语“3D测距”指的是在3D坐标框架中测量或估计从给定坐标原点到物体位置的距离。术语“3D图”指的是表示物体表面的一组3D坐标。基于图像数据的这种图的推导还可以被称为“3D重建”。
确定物体位置和执行这种重建的图像处理器24可以包括通用计算机处理器，该通用计算机处理器用软件编程来执行在下文中描述的功能。例如，软件可以经由网络以电子形式下载到处理器24，或者可以可替选地提供在诸如光学、磁或电子存储器介质之类的有形介质上。可替选地或另外地，图像处理器的一些或所有功能可以用专用的硬件执行，如定制或半定制的集成电路或可编程的数字信号处理器(DSP)。虽然处理器24作为例子在图1中被示出为相对于成像装置22的分立单元，但是可以通过成像装置壳体之内的或者与成像装置相关联的合适专用电路来执行处理器24的一些或所有处理功能。
由处理器24所产生的3D信息可以用于广泛的不同目的。例如，3D图可以被发送到输出装置如显示器26，其示出物体的拟3D图像。在图1示出的例子中，物体28包括对象身体的全部或一部分(例如手)。在这种情况下，系统20可以用于提供基于姿势的用户界面，在该用户界面中，借助于装置22检测到的用户运动代替诸如鼠标、操纵杆或其它附件之类的触觉界面元件来控制诸如游戏之类的交互计算机应用程序。可替选地，系统20可以用于其它类型物体的测距和映射，基本上可以用于需要3D坐标轮廓的任何应用。
图2是根据本发明实施例的装置22的示意性顶视图。照射组件30包括典型地为激光器的相干光源34和漫射体36。(在本专利申请的上下文中，术语“光”指的是任何种类的光辐射，包括红外线、紫外线以及可见光。)由光源34发出的光束穿过漫射体，从分束器44反射，并照射物体28所在的目标区域46。图像捕捉组件32捕捉投射到物体28上的斑纹图案的图像。组件32包括物镜光学器件38，该物镜光学器件38将图像聚焦到图像传感器40上。典型地，传感器40包括检测器元件42的阵列，如基于CCD或CMOS的图像传感器阵列。
为了简化和便于说明，照射组件和图像捕捉组件32的光轴在图2中被示为共线。这种设置适合于下面描述的基于斑纹解相关的那种测距。另一方面，基于斑纹交叉相关的3D重建一般使用三角测量，为此成像轴典型地相对于照射轴移位。例如，在上面提到的PCT专利申请PCT/IL2006/000335中示出了这种设置。基于解相关的测距原理可以类似地应用在这种非共线系统中。
在随后的说明中，假设Z轴由图像捕捉组件32的光轴来限定。如图2所示，原点被取为光学器件38的入射光瞳，或者等效地取为漫射体36的表面。对于超过瑞利(Rayleigh)距离的物距Zobj，斑纹图案具有平均轴向长度 ΔZ = ( Z obj w 0 ) 2 λ , 其中λ是波长，w0是由源34在漫射体36上形成的斑点的尺寸。(假设光学器件38的光瞳直径远大于w0，使得可以忽略由图像捕捉组件32引起的次级斑纹)。对于轴向间隔小于ΔZ的位置，作为角度相对于Z轴的函数的初级斑纹图案基本上不随Z而变化。换言之，彼此轴向移位小于ΔZ的被投射到区域46中的表面上的斑纹图案将具有高的交叉相关(受制于可能必然的横向移动和缩放操作)。为了感测和处理这些斑纹图案，图像捕捉组件32应该能够在至少ΔZ的深度上聚焦。
另一方面，在区域46中大于ΔZ的轴向距离上，斑纹的角度形状以随机的方式变化。因此，轴向间隔大于ΔZ的表面上的各个斑纹图案将会不相关。换言之，离照射组件30不同距离处的斑纹图案在ΔZ以下的短距离内高度相关，并且随着距离增加到ΔZ以上而解相关。
图3是示意性示出根据本发明实施例的离照射组件30不同距离处的斑纹图案之间的交叉相关的绘图。对于这幅绘图而言，在离原点不同的各个距离处，如在图2中标记为Z1、Z2、Z3...的置信位置处，以连续的平面捕捉投射的斑纹图案的基准图像。(在基于图3的试验中，故意将ΔZ设置成低值，基准平面以5mm相隔。)然后，在离原点不同的距离处的物体上(对于这个试验而言，物体还可以是平的)捕捉斑纹图案的测试图像，并且在每个测试图像和每个基准图像之间计算交叉相关。
如图3所示，只有沿着对角线，亦即对于几乎相等的测试平面和基准平面的距离，才会发现测试图像和基准图像中的斑纹图案之间的高度相关。偏离对角线的测试/基准图像对给出了非常小的交叉相关值。这样一来，通过计算目标区域46中的未知位置处的物体的测试图像和每个基准图像之间的交叉相关，就可以确定物体离照射组件的距离范围。该距离测量的分辨率大约等于斑纹长度ΔZ。测量误差由 ϵ = ΔZ Z obj = Z obj w 0 2 λ 给出。
返回到图2示出的例子，假设ΔZ大约等于相邻置信距离Z1、Z2、Z3...之间的距离，位置ZA处的物体28上的斑纹图案将与Z2处捕捉的斑纹图案的基准图像相关。另一方面，ZB处的物体上的斑纹图案将与Z3处的基准图像相关。这些相关测量结果给出了物体离原点的大致距离。然后，为了以三维来映射物体，处理器24可以使用与给出最接近匹配的基准图像的局部交叉相关。
图4是示意性图示根据本发明实施例的3D测距和映射方法的流程图。为了清楚起见，在下文中参考如图1和图2所示的系统20来描述该方法。然而，该方法可以类似地应用在其他种类的基于斑纹的成像系统中，如上面在本发明的背景技术中引用的参考文件或上述PCT专利申请PCT/IL2006/000335中所描述的那些成像系统。
在准备对物体进行测距和成像时，在基准捕捉步骤50处，操作成像装置22以捕捉一系列基准斑纹图像。为此目的，例如可以在沿着Z轴离原点不同的一系列已知置信距离处，如在Z1、Z2、Z3...处，放置平坦的表面，并且成像组件32在每个距离处捕捉由照射组件30投射到该表面上的斑纹图案的相应图像。典型地，置信距离之间的间隔小于或等于轴向斑纹长度。虽然在图2中大约相等地隔开Z1、Z2、Z3...，但是间隔可以可替选地随着范围而增加。
在测试捕捉步骤52处，将物体28引入到目标区域46中，并且装置22捕捉投射在物体表面上的斑纹图案的测试图像。然后，在测距步骤54处，处理器24计算测试图像和每个基准图像之间的交叉相关。在图2所示的同轴配置中，可以计算交叉相关而不用调整测试图像中的斑纹图案相对于基准图像的相对移动或缩放。另一方面，在非同轴的设置中，如在上面提到的PCT专利申请中示出的那样，有可能希望针对测试图像相对于每个基准图像的若干不同横向(Y方向)移动来计算交叉相关，并且可能针对两个或更多不同的缩放因子来计算交叉相关。这些调整依赖于测距和映射系统的特定配置，并且对本领域技术人员而言将会是明显的。
处理器24识别基准图像，该基准图像具有与测试图像的最高交叉相关，并且这样一来物体28离装置22中的照射组件30的距离就大约等于这个特殊基准图像的置信距离。如果仅需要物体的大概位置，则该方法可以在此结束。
可替选地，在重建步骤56处，处理器24可以重建物体28的3D图。为此目的，处理器典型地测量测试图像中的物体表面上的不同点处的斑纹图案和在步骤54处被识别为具有与测试图像最高交叉相关的基准图像中的斑纹图案的相应区域之间的局部偏移量。然后，处理器基于偏移量使用三角测量来确定这些物体点的Z坐标。在上述PCT专利申请和上面引用的其他参考文件中描述了可以用于这些目的的方法。然而，与单独通过基于斑纹的三角测量一般所能够实现的相比，步骤54处的测距和步骤56处的3D重建的结合使得系统20能够在Z方向上的大得多的范围之上执行精确的3D重建。
可以连续重复步骤52-56，以便在目标区域46内跟踪物体28的运动。为此目的，在物体移动的同时，装置22捕捉一系列的测试图像，并且处理器24重复步骤54，并且可选地重复步骤56，以便跟踪物体的3D运动。通过假设物体自从前次迭代以来尚未移动得太远，可以相对于基准图像中的仅仅一些来在步骤54处计算相关。
虽然上面描述的实施例在特定的具体配置中使用特定类型的光学和成像装置，但是本发明的原理可以类似地应用在初级斑纹图案被投射或成像的其他配置中。例如，在本发明的另一个实施例中(未在图中示出)，通过对透过物体的斑纹图案进行成像而不是对如在图2的配置中那样的从物体表面反射的斑纹图案进行成像来测量透明物体的厚度。
因而，应该意识到上面描述的实施例作为例子来被引用，并且本发明不限于上面已具体示出和描述的内容。更确切地，本发明的范围包括上面所述的不同特征的组合和再组合，以及本领域技术人员在读到上述描述时可以想到的且在现有技术中未公开的变化和修改。

Claims (14)

1.一种用于映射的方法，包括：
将来自照射组件的初级斑纹图案投射到目标区域中；
在所述目标区域中的离所述照射组件不同的各个距离处捕捉所述初级斑纹图案的多个基准图像；
捕捉投射到所述目标区域中的物体表面上的初级斑纹图案的测试图像；
将所述测试图像与所述基准图像进行比较，以便识别其中初级斑纹图案最接近地匹配所述测试图像中的初级斑纹图案的基准图像；以及
基于识别的基准图像离所述照射组件的距离来估计所述物体的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，包括求出所述测试图像中的物体的多个区域上的初级斑纹图案和识别的基准图像中的初级斑纹图案之间的各个偏移量，以便导出所述物体的三维(3D)图。
3.根据权利1或2所述的方法，其中所述不同的各个距离中的至少一些轴向间隔大于各个距离处的所述初级斑纹图案的轴向长度。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中将所述测试图像与所述基准图像进行比较包括：计算所述测试图像和所述基准图像中的至少一些中的每个之间的各个交叉相关，并选择具有与所述测试图像最大的交叉相关的基准图像。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中捕捉所述测试图像包括在所述物体移动的同时捕捉一系列测试图像，并且其中估计所述位置包括跟踪所述物体在所述目标区域中的运动。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述物体是人体的部位，并且其中跟踪所述运动包括识别由所述人体的部位做出的姿势和响应于该姿势而向计算机应用程序提供输入。
7.一种用于映射的设备，包括：
照射组件，其配置成将初级斑纹图案投射到目标区域中；
成像组件，其配置成在目标区域中的离所述照射组件不同的各个距离处捕捉所述初级斑纹图案的多个基准图像，并且捕捉投射到所述目标区域中的物体表面上的初级斑纹图案的测试图像；以及
图像处理器，其耦合成将所述测试图像与所述基准图像进行比较，以便识别其中初级斑纹图案最接近地匹配所述测试图像中的初级斑纹图案的基准图像，以及基于识别的基准图像离所述照射组件的距离来估计所述物体的位置。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述图像处理器设置成求出所述测试图像中的物体的多个区域上的初级斑纹图案和识别的基准图像中的初级斑纹图案之间的各个偏移量，以便导出所述物体的三维(3D)图。
9.根据权利要求7或8所述的设备，其中所述不同的各个距离中的至少一些轴向间隔大于各个距离处的所述初级斑纹图案的轴向长度。
10.根据权利要求7或8所述的设备，其中图像处理器设置成计算所述测试图像和所述基准图像中的至少一些中的每个之间的各个交叉相关，以及选择具有与所述测试图像最大的交叉相关的基准图像。
11.根据权利要求7或8所述的设备，其中所述成像组件配置成在所述物体移动的同时捕捉一系列测试图像，并且其中所述图像处理器设置成处理所述测试图像，以便跟踪所述物体在所述目标区域中的运动。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述物体是人体的部位，并且其中所述图像处理器设置成识别由所述人体的部位做出的姿势和响应于该姿势而向计算机应用程序提供输入。
13.一种计算机软件产品，包括存储计算机指令的可读计算机介质，所述指令在由计算机读取时使所述计算机：接收由照射组件投射到目标区域中的初级斑纹图案的多个基准图像，其中在目标区域中的离所述照射组件不同的各个距离处捕捉所述基准图像；接收投射在所述目标区域中的物体表面上的初级斑纹图案的测试图像；将所述测试图像与所述基准图像进行比较，以便识别其中初级斑纹图案最接近地匹配所述测试图像中的初级斑纹图案的基准图像；以及基于识别的基准图像离所述照射组件的距离来估计所述物体的位置。
14.根据权利要求13所述的产品，其中所述指令使计算机求出所述测试图像中的物体的多个区域上的初级斑纹图案和识别的基准图像中的初级斑纹图案之间的各个偏移量，以便导出所述物体的三维(3D)图。
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