CN103632161B - 用于范围成像的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的用于范围成像的方法可以基于单个图像，来确定至多个物体（O₁‑O₄）的相应距离。该图像通过部件（1）捕获，该部件（1）具有这样的透射率函数，其傅里叶变换内接在空间频率的面内的圆上。计算被捕获图像的傅里叶变换以获得用于图像内容的总频谱。然后基于参考频谱与总频谱的多个相似叠加计算到每个物体的距离，从而参考频谱每次与总频谱的一部分相符。

Description

用于范围成像的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于范围成像的装置和方法。

背景技术

存在许多的应用不但需要检测视场内的物体，而且还需要确定至每个被检测物体的距离。这些应用包括：电力线检测以保证直升机移动安全、跑道灯检测以帮助飞机着陆等。除立体图成像方法之外，通常的光学成像方法不允许在图像中快速精确地确定至所捕获的物体的距离。

立体图成像需要从不同的视角捕获相同物体的至少两个图像。该要求导致以下困难：

-至少两个图像捕获装置必须并联地安装，并且相对于彼此具有精确限定的位置；

-如果被捕获的物体在移动，必须同时捕获图像；以及

-需要图像相关软件以比较分别由两个装置捕获的图像中相同物体的位置。

平面型光学部件是已知的，其中透射率作为每个部件的面内两个坐标的函数而改变，并具有二维傅里叶变换，该二维傅里叶变换包括位于具有确定半径的圆上的峰。这种部件被称为是连续自成像的并在J.Durnin，的名为“用于非衍射光束的精确解I标量理论(Exact solutions for nondiffracting beams.I.The scalar theory)”Journal of theOptical Society of America A，Vol.4，pp.651-654，1987以及在N.Guérineau等人，Optics Letter，Vol.，pp.411-413，2001的名为“通过利用连续自成像光栅的消色差且传播不变点阵列的产生(Generation of achromatic and propagation-invariant spotarray by use of continuously self-imaging gratings)”并限定连续自成像光栅的文章中进行了描述。

另外，Piponnier等人的名为“用于先进成像系统设计的非衍射阵列的分析和发展(Analysis and development of non-diffracting arrays for the design ofadvanced imaging systems)”Journées scientifiques de l'Ecole Doctorale Ondes&Matières(EDOM)，2011年3月7-8日的报告提出了将连续自成像部件与图像传感器相关联以用于包括检测、识别、或用于简单物体的位置确定的应用。

发明内容

因此本发明的目的是提出不具有立体成像方法的上述缺点的范围成像的新方法。

具体地，本发明的目的是，基于被捕获图像来确定视场内所包括的多个物体的各自的距离。

本发明的另一目的是在不需要强大的计算能力的情况下简单地确定至多个物体的距离。

为此，本发明提出了一种方法，包括以下步骤：

/1/获得平面型光学部件，该平面型光学部件具有透射率t，透射率t作为该部件的面中两个坐标的函数而改变，以及进行包括位于半径为ρ_∞的基圆上的峰的二维傅里叶变换T；

/2/将部件设置成垂直于光轴线Z并朝向视场；

/3/将图像传感器设置在垂直于轴线Z的面中，该图像传感器位于距部件的距离d_f处，并位于部件的与视场相反的一侧；

/4/利用传感器捕获由来源于物体且穿过部件的光形成的图像；以及

/5/计算被捕获图像的傅里叶变换，以获得对应于捕获的图像的傅里叶变换的峰的空间频率的频谱S_tot，用于被捕获图像的该频谱包括每个都内接在分别的圆中的多个同心组成部分。

根据在步骤/1/中表明的光学部件的透射率t特性，该部件连续地自成像。

本发明的方法特征在于，在步骤/1/中，部件的透射率t的傅里叶变换T包括分布在具有半径ρ_∞的基圆上的有限数目的峰。另外，本方法包括在步骤/5/之后还执行的以下步骤：

/6/提供参考频谱S_ref，其对应于由位于轴线Z上无限远处的点光源通过部件产生在传感器上的参考图像的傅里叶变换的峰，该参考频谱S_ref包括参考空间频率并且内接在半径为2ρ_∞的参考圆中，半径2ρ_∞等于基圆半径的两倍；

/7/在公共参考系统中，将被捕获图像的空间频率的频谱S_tot与参考频谱S_ref同心地叠加；

/8/通过在公共参考系统中的居中的相似扩大，将内接在半径为2ρ_∞的参考圆中的参考频谱S_ref数字变换成内接在具有可变半径2ρ_i的变换的参考频谱S_i，这通过改变相似扩大比例H_i(等于2ρ_i/2ρ_∞)来实现；

/9/当变换后参考频谱S_i的所有峰都与被捕获图像的频谱S_tot的峰叠加，然后变换后参考频谱S_i与捕获的图像的频谱S_tot的组成部分之一相符时，存储相似扩大比例H_i；以及

/10/利用公式d_i＝d_f/(Hi-1)，计算至视场中的多个物体之一的距离。

然后重复步骤/8/至步骤/10/，直到不能再利用相似扩大比例H_i的与之前存储的值不同的新值执行步骤/9/。于是在步骤/10/的一次执行过程中获得对应于视场中所包括的物体之一的每个距离d_i。

因此，在本发明的方法中，仅执行一次图像捕获步骤/4/就能确定多个物体各自的距离。被确定的距离与一个相同的时刻相关，即捕获图像的时刻，而不需要将成像装置可能的移动考虑在内。因此，因为这些距离处于同一时刻，所以本发明允许简单计算多个物体的距离，。

由于傅里叶变换的线性，在步骤/5/中计算的具有多个物体的图像的傅里叶变换与仅由多个物体之一产生的分别的傅里叶变换的总和相同。

由于部件的透射率t的傅里叶变换T包括分布在基圆上的有限数目N的峰，由存在于视场中的物体产生的空间频谱具有间隙。在步骤/9/中，这些间隙允许在被捕获图像的频谱S_tot中辨别物体各自的贡献，然后在步骤/10/中分别计算到每个物体的距离。

可以通过物体距离来使彼此区分，来对存在于视场中物体进行计数以补充本方法。为了这个目的，将计算过产生相似扩大比例H_i的不同值的步骤/8/至步骤/10/的重复次数，并且视场中所包括的物体的数目n被确定为等于重复次数。

在本发明的优选实施方式中，部件可以是周期性的连续自成像的光栅。在这种情况下，部件的透射率t的傅里叶变换T的峰位于周期光栅上并且位于具有半径ρ_∞的参考圆上。这样便于在参考频谱S_ref的空间频率与已经被捕获图像的频谱S_tot的至少一部分之间搜索在步骤/9/中执行的相符。然后更易于精确地确定至多个物体的相应距离，该多个物体在视场内可以彼此靠近。

本发明还提出了一种范围成像装置，其包括：

-平面型光学部件，可以是周期性的连续自成像光栅类型；

-图像传感器，设置成平行于部件并位于离部件的距离d_f处，位于部件的与视场相反的一侧，并且部件和传感器垂直于光轴Z；

-存储单元，适于存储由传感器捕获的图像，并且适于存储参考频谱S_ref；以及

-计算单元，适于执行上述方法的步骤/7/至步骤/10/，并且只要在步骤/9/中获得用于相似扩大比例H_i的新值，就重复步骤/8/至步骤/10/。

在本发明的装置中，调整部件，使得其透射率t的傅里叶变换T包括分布在具有半径ρ_∞的基圆上的N个峰，数字N为有限的或者无限的。

部件可以是相位光栅。然后可以更容易地利用可用的且更好理解的制造方法设计和实现该部件。

附图说明

参照附图，通过以下非限定性实施例的描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，在附图中：

-图1示意性地示出根据本发明的范围成像装置；

-图2是在使用图1的装置过程中所包括的步骤和特性的示意图；

-图3a至图3c示出了可以可替代地用于图1的装置的透射率的三个示例，

-图4a至图4c示出了相关联的傅里叶变换；

-图5a示出可用于图1的装置的透射率的又一示例，图5b示出了相关联的参考光谱；

-图6a示出了当使用图5a和图5b的透射率时由图1的装置捕获的图像，图6b示出了相关联的全光谱；以及

-图7是在使用图1的装置过程中所执行步骤的流程图。

具体实施方式

为了清晰起见，附图中所示部件的尺寸既不对应于实际尺寸也不对应于尺寸之间的实际比例。另外，当相同的附图标记使用在不同的附图中时，其表示相同部件或具有相同功能的部件。

在图1，附图标记具有以下含义：

1 平面型光学部件，

101 图像传感器，

102 用于存储由传感器101捕获的图像的单元，表示为MEM，

103 计算单元，表示为CPU，其适于处理存储在单元102中的图像数据，

Z 成像装置的光轴，垂直于部件1和传感器2，

d_f 平行于轴线Z测量的部件1与传感器2之间的距离，

100 在轴线Z周围延伸的视场，

O₁-O₄ 在视场100内所包括的物体，通过部件1向传感器101产生光或反射光，

O₁ 视场100内位于轴线Z上的发光物体，位于距部件1有限距离处，

O2 视场100内位于轴线Z上的发光物体，位于距部件1无限远处，

2 来源于物体O₂并通过部件1到达传感器101的平面波，

3 由部件1从平面波2产生的合成波，

d₁ 平行于轴线Z测量的物体O₁与部件1之间的距离，以及

9 来源于物体O₁并通过部件1到达传感器101的球面波。

来源于每个物体O₁-O₄的电磁辐射可以是单频的或可包括处于各自离散波长处的任何数目的辐射。其可位于用于光学检测或观察物体的任何波长范围内，尤其是远红外、中红外、近红外、可见光范围等。然后，根据其灵敏度的频率范围的函数来相应地选择传感器101。另外，来自物体O₁-O₄的辐射可以是空间相干或空间不相干的。

部件1在开口(opening)内是半透明的，该开口在与轴线Z垂直的面内可以呈矩形，并由该面内的两个笛卡尔坐标x和y表示。传感器101可包括一系列光敏元件，这些光敏元件排列成与轴线x和轴线y平行。

在部件1的开口内，来自部件的透射(transmission)(表示为t)为两个坐标x和y的函数：t(x，y)。透射率t(x，y)关于两个坐标x和y的傅里叶变换表示为T(σ_x，σ_y)。因此，σ_x是对应于x坐标的空间频率，σ_y是对应于y坐标的空间频率。对于本发明，部件1被选择，使得函数T(σ_x，σ_y)包括有限数目N的峰，该有限数目的峰全部位于由σ_x和σ_y的轴线确定的空间频率的面中给定的圆上。该圆被称为基圆并以空间频率σ_x和σ_y的两个轴线的原点为中心，并且其半径表示为ρ_∞。

实际上，首先选择函数T(σ_x，σ_y)，然后通过逆傅里叶变换计算透射率函数t(x，y)。然后通过局部调节部件1的开口内每个点处的透射率来制造部件1。当具有适当光敏材料的膜放置在该开口中时，可通过数字地调制连续聚焦在部件1开口中网格上每个点处的照射量来执行这种调节。本领域的技术人员将理解，函数T(σ_x，σ_y)的峰并不是无限地窄，而是具有取决于部件1中开口的尺寸的宽度。

由于函数T(σ_x，σ_y)包括位于基圆上的峰(该基圆具有半径ρ_∞和中心σ_x＝σ_y＝0)，源自穿过部件1之后的平面波2的辐射3具有平行于轴线Z平移不变的强度分布。在部件1与检测器101之间垂直于轴线Z的任何面内，该强度与透射率t(x，y)模的平方|t(x，y)|²成比例。

该强度分布由位于与部件1平行的面内的物体O₂产生。其在图2中表示为4，并被称为参考图像。参考图像形成在传感器101上。该参考图像通过傅里叶变换的分解5产生了分别位于空间频率σ_x和σ_y的值对处的一系列N'个峰，N'为非零整数。然后用于空间频率σ_x和σ_y的一组值对构成参考图案，其被称为参考频谱并表示为S_ref。通过傅里叶变换的特性，参考频谱S_ref为透射率t(x，y)的傅里叶变换T(σ_x，σ_y)的自相关(图2的特性6)。其内接于半径f_c＝2ρ_∞且中心为σ_x＝σ_y＝0的圆，该圆被称为参考圆。在本发明中，频谱内接的圆或外接频谱的圆，为包括该频谱的所有峰的最小的圆，并且某些峰可能位于圆上。

优选地，部件1还可以是周期光栅。然后其透射率函数t(x，y)包括基础二维图案，重复该基础二维图案以填充部件1的开口。该基础图案可具有用于拼接覆盖(title)部件1的开口的任何形状。在周期光栅的情况下，傅里叶变换T(σ_x，σ_y)的峰还位于空间频率σ_x和σ_y的面中周期网格的至少一些节点上。图3a示出基础图案的第一示例，其呈正方形并且边长为a₀。基础图案的水平边和竖直边可分别平行于轴线x和轴线y。图4a示出了与图3a的透射率t(x，y)相关的傅里叶变换T(σ_x，σ_y)。图4a的水平方向和竖直方向为空间频率σ_x和σ_y的轴线的方向。该傅里叶变换包括与分离的衍射级相关的16个峰，其由于部件1的周期光栅的本质而位于间距为1/a₀的网格的节点上，并且由于部件1的连续自成像的本质而位于基圆上。在该示例，基圆的半径ρ_∞等于65^1/2/a₀。

图3b和图4b分别对应于图3a和图4a，示出了透射率t(x，y)的另一方形基础图案。傅里叶变换T(σ_x，σ_y)也包括16个衍射级，对于该16个衍射级，峰位于间距为1/a₀的网格中的某些节点上。但是这些衍射峰位于半径ρ_∞＝145^1/2/a₀的基圆上，并且在空间频率σ_x和σ_y的面中的角分布与图4a不同。

图3c和图4c也分别对应于图3a和图4a，示出了透射率t(x，y)的又一方形基础图案。傅里叶变换T(σ_x，σ_y)包括24个衍射峰，其也位于间距为1/a₀的网格中的某些节点上，但是属于半径ρ_∞＝325^1/2/a₀的基圆。

应当注意，虽然傅里叶变换T(σ_x，σ_y)包括有限数目的衍射级(在部件1由周期光栅构成的情况下，这些衍射级在角度上分离)，这些衍射级空间上组合，使得部件1与传感器101之间的光强分布仍然是平行于轴线Z平移不变的。

当部件1再次为利用方形拼接覆盖的周期光栅时，在透射率t(x，y)的基础图案的另一示例中图5a也对应于图3a。图5b在空间频率σ_x(图5b中的水平方向)和σ_y(图5b中的竖直方向)的面中示出了包括透射率t(x，y)模的平方的函数的傅里叶变换(FT)的峰的位置，FT|t(x,y)|²(σ_x,σ_y)：这是当透射率(x，y)具有图5a的图案时用于部件1的参考频谱。

独立地，对于来源于位于Z轴上有限距离d₁处的物体O₁的球形入射波9，在部件1与传感器101之间，从部件1向下游传播的强度10(图2)连续地相似(homothetic)于沿轴线Z传播的强度10。因此在传感器101的面中产生的强度分布，即在位于垂直于轴线Z的面中的部件1下游固定距离d_f处，被称为扩大图像。该扩大图像源自相似扩大(homothety)11，其以1+d_f/d₁的相似扩大比例H₁应用至参考图像。通过用于两个坐标x和y的傅里叶变换，扩大图像分解12成空间频率产生了一组峰，该组峰位于被称为扩大频谱S_dil的一组用于空间频率σ_x和σ_y的值对。该扩大频谱S_dil包括N'个峰，该N'个峰在空间频率面中与参考频谱S_ref的N'个峰具有相同的相对分布。扩大频谱的峰位于具有半径f_c'＝2ρ_∞/H(图2中的特性13)的圆内。

当n(n为大于1的整数)个分离的物体14(例如三个物体O₁，O₃和O₄)同时通过部件1向传感器101产生光时，位于传感器的面中的总图像I_tot为分别由所有物体i产生的图像I_i的总和15，在所示示例中i等于1，3或4。然而，傅里叶变换是线性的数学运算16。因此，由n个物体一起产生的整体图像I_tot的总频谱S_tot为分别单独由所有物体i产生的频谱S_i的总和17。换句话说，每个频谱S_i为总频谱S_tot的组成部分。

假设：

7：透射率t(x，y)的傅里叶变换T(σ_x，σ_y)包括分布在具有半径ρ_∞的基圆上的有限数目N的峰；

8：参考频谱S_ref包括内接在具有半径2ρ_∞的参考圆内的一组N'个峰；以及

18：频谱S_i是分离的并且内接在具有不同半径f_ci'的相应圆中，

由位于轴线Z上的所有物体i单独产生的频谱S_i在空间频率σ_x和σ_y的面内是分离的。

因此本发明提出用于检测n个物体并确定其各自距离d_i的算法19。基于在空间频率σ_x和σ_y面中分别与每个物体i相关的半径f_ci'的测量，半径f_c先前已知，相似扩大比H_i等于用于所涉及物体i的商f_c/f_ci'。最后(图2中的步骤20)，通过关系式d_i＝d_f/(H_i-1)分别得到至每个物体i的距离。

因此(图2的步骤21)，本发明的方法可以通过一次图像捕获而检测视场内位于不同距离处的多个物体。然后可以在空间频率面中清楚地将由不同物体产生的总图像的各个组成分离。因此解决了在没有活动部件的情况下提供范围成像装置的技术问题。

图6a示出了已由传感器101捕获的同时位于轴线Z附近的三个物体的总图像I_tot，此时部件1对应于图5a和图5b。例如，该三个物体为图1的O₁、O₃和O₄。白箭头指示三个物体的位置，其中O₁位于轴线Z上，O₃和O₄相对于轴线Z偏移(在图像中心处零点偏移)。图6b示出了关于坐标x和y的图6a的总图像I_tot的傅里叶变换。其包括内接在具有不同半径2ρ_i的圆中内接的三组峰，其中等于1、3或4的标记i表示分别对应于三个物体O₁、O₃和O₄的圆。空间频率σ_x和σ_y的面中圆的半径2ρ_i越大，对应的物体i距部件1越远。

参照图7和图5a、图5b、图6a、以及图6b，图1的范围成像装置的使用包括以下步骤：

步骤S1：将部件1插入图1的装置，部件1具有图5a的透射率函数t(x，y)；

步骤S4：捕获图6a的图像，其被称为总图像I_tot；

步骤S5：计算图6a的图像的傅里叶变换，产生图6b的总频谱S_tot；

步骤S7：将图5b的参考频谱S_ref叠加到图6b的总频谱S_tot上，对于两个频谱使用相同的中心点坐标σ_x＝0和σ_y＝0；

步骤S8：在叠加中，相似地(homothetically)在空间频率σ_x和σ_y的面内改变参考频谱S_ref，从而外接圆的半径变成等于用于总频谱S_tot的组分谱S_i之一的外接圆的半径2ρ_i；

步骤S9：确定相似扩大比H_i，利用该相似扩大比H_i，用于参考频谱S_ref的外接圆的原始半径2ρ_∞变成等于用于频谱S_i的外接圆的半径2ρ_i；以及

步骤S10：基于相似扩大比H_i的值，计算至产生频谱S_i的物体i的距离d_i。

对于每个频谱S_i重复步骤S8至S10，频谱S_i在总频谱S_tot内可利用不同的半径区分。

最后，在可选的下一步骤S11中，步骤S8至S10的顺序重复次数对应于存在于视场100中并通过部件1向传感器101发光的不同的隔离物体的数目。

包括在视场100中的物体可平行于光轴线Z延伸非零长度。在这种情况下，对于相似扩大比H的处于两个极限值之间连续间隔内的任何值，可重复步骤S8至S10。该间隔的长度通过公式d＝d_f/(H-1)提供物体沿轴线Z的长度，其中d为物体当前点相对于部件1的距离。

Claims (6)

1.一种用于范围成像的方法，所述方法基于单个被捕获图像来确定至视场内所包括的多个物体的相应距离，所述方法包括：

1)获得具有透射率t的平面型光学部件，其中，所述透射率t作为所述光学部件的面中两个坐标的函数而改变，并且所述透射率t进行二维傅里叶变换T，所述二维傅里叶变换T包括位于具有半径ρ_∞的基圆上的峰；

2)将所述光学部件设置成与光轴线Z垂直并且朝向所述视场；

3)将图像传感器设置在与所述光轴线Z垂直的面中，所述图像传感器位于离所述光学部件的距离d_f处并且位于所述光学部件的与所述视场相反的一侧；

4)利用所述图像传感器来捕获由源自所述物体且穿过所述光学部件的光形成的图像；以及

5)计算被捕获图像的傅里叶变换，以获得与所述被捕获图像的傅里叶变换的峰相对应的空间频率的频谱S_tot，用于所述被捕获图像的所述频谱包括多个同心的组成部分，每个同心的组成部分都内接在各自的圆中；

所述方法的特征在于：

在步骤1)中，所述透射率t的傅里叶变换T包括分布在所述基圆上的有限数目N的峰；

并且所述方法还包括在步骤5)之后执行的以下步骤：

6)提供参考频谱S_ref，所述参考频谱S_ref对应于参考图像的傅里叶变换的峰，所述参考图像由位于光轴线Z上无限远处的点光源通过所述光学部件产生在所述图像传感器上，所述参考频谱S_ref包括参考空间频率并且内接在具有半径2ρ_∞的参考圆中，所述半径2ρ_∞等于所述基圆的半径的两倍；

7)在公共参考系统中，将所述被捕获图像的空间频率的所述频谱S_tot与所述参考频谱S_ref同心地叠加；

8)通过在所述公共参考系统中居中的相似扩大，将内接在具有半径2ρ_∞的参考圆中的所述参考频谱S_ref数字变换成内接在具有可变半径2ρ_i的圆中的变换后参考频谱S_i，这通过改变所述相似扩大的比例H_i来实现，其中所述比例H_i等于2ρ_i/2ρ_∞；

9)当所述变换后参考频谱S_i的所有峰都与所述被捕获图像的所述频谱S_tot的峰相叠加，然后所述变换后参考频谱Si相符于所述频谱S_tot的组成部分之一时，存储所述相似扩大的比例H_i；以及

10)利用公式d_i＝d_f/(H_i-1)，计算至所述视场中的多个物体之一的距离；然后

重复步骤8)至步骤10)，直到不能再利用所述相似扩大的比例Hi的新值执行步骤9)，在步骤10)的一个执行过程中获得与所述视场中所包括的多个物体之一相对应的每个距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，计算步骤8)至步骤10)的重复次数，并且所述视场中所包括的物体的数目n被确定为等于所述重复次数。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述光学部件是周期性的连续自成像光栅。

4.一种用于范围成像的装置，包括：

-平面型光学部件，所述平面型光学部件具有透射率t，所述透射率t作为所述光学部件的面中两个坐标的函数而改变，并且所述透射率t进行二维傅里叶变换T，其中所述二维傅里叶变换T包括位于具有半径ρ_∞的基圆上的峰；

-图像传感器，设置成平行于所述光学部件并位于离所述光学部件的距离d_f处，位于所述光学部件的与视场相反的一侧上，并且所述光学部件和所述图像传感器垂直于光轴线Z；

-存储单元，存储由所述图像传感器捕获的图像并且存储参考频谱S_ref，所述参考频谱S_ref对应于参考图像的傅里叶变换的峰，所述参考图像由位于所述光轴线Z上无限远处的点光源通过所述光学部件产生在所述图像传感器上，所述参考频谱S_ref包括参考空间频率并且内接在具有半径2ρ_∞的参考圆中，所述半径2ρ_∞等于所述基圆的半径的两倍；以及

-计算单元，执行根据权利要求1所述的方法的步骤7)至步骤10)，并且只要在步骤9)中获得相似扩大的比例H_i的新值，就重复步骤8)至步骤10)；

其中，调整所述光学部件，使得所述光学部件的所述透射率t的所述二维傅里叶变换T包括分布在所述基圆上的有限数目N的峰。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述光学部件为周期性的连续自成像光栅。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述光学部件为相位光栅。