CN103733087A - 选择性距离范围成像 - Google Patents

Abstract

一种使用振幅调制连续波范围成像装置确定到对象的距离的方法，包括发射调制照明信号。用伪随机码对所述调制照明信号进行调制。基于伪随机码来调制图像传感器，以捕捉从对象反射的调制照明信号的多个样本。确定多个样本与调制照明信号之间的相移。

Description

选择性距离范围成像

技术领域

本发明一般涉及亮度和深度/范围（range）检测，以及更具体地，涉及用于选择性范围成像的方法和设备。

背景技术

范围成像系统，也被称为范围相机、范围成像相机或测距（ranging）装置，确定要成像的场景中的对象的距离和亮度。一种普通类型的范围成像相机使用振幅调制连续波（“AMCW”）技术。

如下所详述的，使用AMCW技术的范围成像相机通常使用光源来发射亮度调制照明信号，以对要成像的场景进行照明。然后由场景中的对象将信号反射回范围成像相机。然后由诸如CMOS的专门的传感器芯片来捕捉反射光的多个图像。然后使用处理器来将所述多个图像彼此进行比较以及将所述多个图像与发射的强度调制照明信号进行比较，从而确定光的亮度调制中的相变。然后分析相变，以确定对象与范围成像相机之间的距离，还确定场景中对象的大小、形状和位置。所以，在诸如汽车安全和控制系统、多媒体用户界面以及图像分割和表面仿形切削的许多不同应用中，范围成像相机是非常有用的。

在范围成像相机与要成像的对象之间有效地确定范围取决于亮度调制照明信号与接收的信号之间的相位差。因为通常用照明信号来调制图像传感器，随着光从范围成像相机离开，所述光开始变得与图像传感器的调制异相。所以，光经过的距离越短，光就越同相。换句话说，从接近范围成像相机的对象反射的光具有与范围成像相机的调制接近于同相的亮度调制，而从远处的对象反射的光具有与范围成像相机异相的亮度调制。在通常使用同一信号既调制照明信号也调制图像传感器的情况下，可以在一些情况下使用不同的信号来达到类似的结果。

就数码照片来说，捕捉的图像通常由像素阵列形成，场景中的对象有效地映射到像素阵列上。不像通常的数码图像，由范围成像相机捕捉的像素不仅记录从场景中的对象反射的光的照明亮度（可以包括颜色），还记录调制包络的相位。因此，捕捉的图像中的每个像素将具有基于由场景中的对象反射回所述像素的光的相位分量。而且，对应于在其中不具有对象的场景区域的像素不会接收反射的信号，而是仅接收环境光或从其他源（诸如太阳）反射的光或多路径调制的光（从场景中造成不想要的干扰信号的其他对象反射出来的发射光）。通常的范围成像相机传感器包括背景或DC抑制电路，该背景或DC抑制电路允许更有效地使用传感器的动态范围以用于捕捉调制光，所以，传感器会有效忽略背景光。

在有多种实现通常的范围成像相机的方法的情况下，提供了图1以示出一个这样的范围成像相机的简化视图。如图1所示，通常的AMCW范围成像相机100可以包括用于向要成像的场景发射亮度调制照明信号的信号装置101，例如激光二极管或发光二极管，还包括用于使用从场景中的对象反射回系统100的部分发射信号来捕捉图像的图像传感器102。然后处理器103将发射的对象与捕捉的图像进行比较，以确定捕捉的图像中每个像素的亮度和相移。通过这样做，处理器能够确定场景中的对象离系统100的距离。系统100可选地包括到控制系统100、显示器105和存储器106的输入装置104，或者所述装置104、105和106可以是通过接口电缆连接的分开的计算机系统的形式。可以从执行所述功能的任意已知装置中选择这些装置。存在许多已知的调制信号装置101和图像传感器103的方法。例如，信号发送装置可以仅仅是周期性快速开启和关闭的光源，而图像传感器102可以使用高速快门或通过控制图像传感器的增益或灵敏度来调制。处理器103还可以包括信号生成器，或类似的装置，以帮助调制信号装置101和图像传感器102。然而，也可以单独提供信号生成器。

图2示出了上述参考图1所述的标准范围成像相机的简化功能图。如图2所示，从信号装置101发射的照明信号的亮度调制包络显示为正弦波形状，但是通常也调制成方波。然后从正被成像的场景内的各个对象21、22和23反射信号。如图2所示，反射回图像传感器102的光根据反射光的对象21、22和23的相对距离将会经过不同的距离。这将造成接收的光的调制基于经过的距离具有不同的相位。虽然图2中没有示出，但是波形的振幅也会根据经过的距离和对象的表面散射属性而改变。

图11示出了用来提供已知的范围感测系统的元件的示意图。虽然该示意图示出了用于调制图像传感器的快门，但是应该注意，可以使用不需要为此使用快门的各种传感器。

例如在Billmers等人的美国专利No.7,541,255、Dorrington的美国专利No.7,391,505、Phillips等人的美国专利No.5,835,199和Ball等人的美国专利No.5,534,993中公开了用于信号测量的方法，所有这些专利作为参考被整体合并于此。而且，参见Dorrington的国际公开号No.2004/090568、Carnegie等人的国际公开号No.2006/031130和Payne等人的国际公开号No.2009/051499，所有这些专利作为参考被整体合并于此。

然而，传统的范围成像相机在一些条件下表现得不太好。例如，当传统的范围成像相机与要成像的对象之间的空气不清楚时，例如当有雾或者烟的时候，或者在通过玻璃或塑料窗户来进行成像的情况下，传统的范围成像相机可能不能够准确地确定到对象的距离。尤其是，空气中悬浮的颗粒或碎屑，可能会导致来自传统的范围成像相机的照明信号一部分被反射回来，然后这可能会导致距离确定不准确。

发明内容

本发明的实施方式涉及一种用于在离振幅调制连续波范围成像装置的可选距离处对对象进行成像的方法和设备。该方法包括发射调制照明信号，用伪随机码（或者结合有伪随机码的连续波）对所述调制照明信号进行亮度调制；在图像传感器处接收所述调制照明信号的反射；捕捉反射的调制照明信号的多个样本，其中使用所述伪随机码来调制采样；确定发射的调制照明信号与多个样本之间的相移或时延，以确定至少一个相移或时延；以及基于确定的相移或时延来确定所述装置与至少一个对象之间的范围。

由照明和采样伪随机码的速率和相对时间来确定在其中检测到所选择的对象的区域或窗口。使用该方法，能够保证测距装置仅对成像窗口内的对象进行成像。该方法还可以包括对信号偏移和噪声以及多路径干扰进行补偿。

本方法的另外的方面可以包括使采样调制码延时，以确定成像窗口，从而基于延时来确定装置与成像窗口之间的距离。使用该方法，可以实时调整场景中的成像窗口的位置。

根据本发明的其他方法，在离振幅调制连续波范围成像装置的可选距离处对对象进行成像的进一步的方面可以包括：发射调制照明信号，用伪随机码对所述调制照明信号进行亮度调制；在图像传感器处接收所述调制照明信号的反射；捕捉反射的调制照明信号的多个样本，其中使用所述伪随机码调来制采样；以及调整所述伪随机码的操作频率，来确定成像窗口，其中测距装置仅对所述成像窗口内的对象进行成像。可以基于所述伪随机码的操作频率来确定成像窗口的前边缘与后边缘之间的距离。

根据本发明的振幅调制连续波范围成像装置可以包括：照明装置，该照明装置被配置成发射调制照明信号，其中用伪随机码对所述调制照明信号进行亮度调制；图像传感器，该图像传感器用于接收所述调制照明信号的反射，该图像传感器被配置成捕捉反射的调制照明信号的多个样本，其中使用所述伪随机码调制采样；以及处理器，该处理器用于确定发射的调制照明信号与多个样本之间的相移，从而确定至少一个相移，以及相对于调制照明信号的调制来对采样的调制进行延时。

另外，处理器可以被配置成基于确定的相移来确定装置与至少一个对象之间的范围。而且，照明装置可以被配置成当图像传感器采样时连续发射亮度调制照明信号。处理器还可以被配置成调整所述调制照明信号的时钟周期。而且，可以基本上实时地调整相对于调制照明信号的调制对采样的调制进行延时的长度。

振幅调制连续波范围成像装置可以结合关于调制照明信号的调制对采样的调制进行延时的长度，可以基于正被成像的对象的运动基本上实时地调整所述调制照明信号。所述装置可以被配置成仅对成像窗口内的对象进行成像，其中所述成像窗口具有前边缘和后边缘，并且基本上为三角形。所述装置还可以包括频率调节器，该频率调节器用于调整伪随机码的操作频率。另外，可以基于伪随机码的操作频率来确定成像窗口。

用于使用振幅调制连续波范围成像装置来确定到对象的距离的另一个示例性方法包括发射调制照明信号。用伪随机码来调制所述调制照明信号。基于所述伪随机码来调制图像传感器，以用于捕捉从所述对象反射的调制照明信号的多个样本。确定所述多个样本与所述调制照明信号之间的相移。

附图说明

图1示出了标准成像装置的示意图；

图2示出了标准成像装置的功能图；

图3示出了根据本发明的示例性实施方式的成像装置的示意图；

图4示出了伪随机码的示例；

图5a示出了两个同步信号的混合；

图5b示出了与同步相差90°的两个信号的混合；

图5c示出了与同步相差180°的两个信号的混合；

图5d示出了两个同步方波的混合；

图5e示出了与同步相差90°的两个方波的混合；

图5f示出了与同步相差180°的两个方波的混合；

图6a示出了使用同步的伪随机码调制的信号的混合；

图6b示出了使用部分异步的伪随机码调制的信号的混合；

图6c示出了使用异步伪随机码调制的信号的混合；

图7a示出了当不对图像传感器的调制添加延时时，使用根据本发明的示例性实施方式的成像装置创建的成像窗口的一个示例性实施方式；

图7b示出了当对图像传感器的调制添加延时时，使用根据本发明的示例性实施方式的成像装置创建的成像窗口的一个示例性实施方式；

图8a示出了根据本发明的示例性实施方式创建的成像窗口的三角形性质；

图8b示出了根据本发明的示例性实施方式创建的成像窗口的三角形性质，其中通过增加调制频率来缩短图像窗口的深度；

图8c示出了根据本发明的示例性实施方式创建的成像窗口的三角形性质，其中通过增加调制频率来加长图像窗口的深度；

图9示出了使用已知的成像装置通过脏的窗口对示例性场景成像的结果；

图10示出了使用结合本发明的示例性实施方式的成像装置通过脏的（dirty）窗口对图9的示例性场景成像的结果；

图11示出了用来提供已知的范围感测系统的组件的示意视图。

具体实施方式

在对本发明的示例性实施方式的以下描述中，以附图为参考，在所述附图中通过示出的方式显示了本发明的实施方式。应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以使用其他实施方式以及可以做出结构上的改变。

如上所述，传统的范围成像相机在一些操作条件下表现不太好。例如，当范围成像相机与要成像的对象之间的空气不清晰时，范围成像相机可能不能准确地确定距离。该不准确性是由部分从悬浮在空气中的颗粒、碎屑或玻璃或塑料窗反射回范围成像相机的照明信号部分造成的。如上所述，范围成像相机的图像传感器捕捉场景的多个图像。这些图像将由既具有照明分量也具有相位分量的像素来表示。在正常条件下，反射回到范围成像相机和集中在单个像素上的信号仅具有单个相位分量。这是因为所有入射到像素上的调制信号都从单个对象反射。在一些另外的环境，光可以入射到像素上的情况下，光不被调制并且可以由处理器来负责。然而，当在范围成像相机与对象之间的空气中悬浮有颗粒时，可能是有雾、烟或者脏的窗口的情况，一些调制照明信号在达到正被成像的对象之前被反射回范围成像相机。这导致像素捕捉具有不同的相位分量的调制照明信号。现有的范围成像相机不能确定哪个相位分量与对象有关，哪个与大气尘有关。另外，空气颗粒可能会使调制照明信号散射，从而造成多个像素受到反射信号的影响。图9显示了受位于照明信号的路径中的“脏的”窗口影响的图像的示例。如图9所示，由于不需要的反射和光散射，标准的范围成像相机不能够正确确定到成像的对象的各个部分的距离。

类似地，有一些已知的AMCW范围成像相机不特别适用的新兴的应用。开发了新的计算机控制系统，其依赖于范围成像相机来确定什么时候用户做出用来控制计算机系统的某些动作（例如手势）。许多这些新的应用目前正用于游戏机和用于控制个人计算机。当用户是孤立的时，例如，当用户单独在坚固的背景（诸如墙）前面时，目前的范围成像相机可以与这些系统一起使用。然而，当用户在其后面有活动发生的位置时，目前的范围成像相机在确定背景中的用户或者人是否做出手势上可能比较困难。因为通常的范围成像相机的图像传感器从范围成像相机前面的所有距离处收集从对象反射的光，所以当前的范围成像相机具有难度。由此，范围成像相机会“看见”对象或者人，不管对象或者人离范围成像相机的距离如何，只要没有其他对象位于对象与范围成像相机之间即可。虽然有时候能够纠正背景运动，但是由于有其他的人靠近（例如在游戏环境中），通常很难纠正。

这些系统也可能会被位于离范围成像相机较远位置处（这里反射的亮度调制照明信号相位相差大于360°）的对象的运动迷惑。当发生这种情况时，范围成像相机可能会将非常远的对象解释成离范围成像相机近很多。在其他新兴的系统中，诸如车辆安全系统，也存在同样的这些困难。新的车辆安全系统开始使用范围成像相机来确定运动的车辆的靠近。然后使用所确定的靠近来控制诸如恒速操纵器或紧急制动的功能。

与部分不透明介质相关的困难是对范围成像装置不透明。在水下摄影领域中已知有类似的情况。水下捕捉图像可能比较难，因为水通常是模糊的或者污浊的。污浊的水（类似于雾）会使光散射得很严重从而阻止图像捕捉。在水下摄影中使用的一个方案被称为“距离选通成像”。距离选通成像通过使用高速闪光来工作，以对场景照明。然后在闪光与范围成像相机的快门的触发之间添加仔细计时的延时。由于该延时，从靠近距离选通成像相机的模糊的水反射的光不被成像，这是因为在触发快门之前其返回到了范围成像相机。有利地，然后，从位于离距离选通成像相机至少预定距离处的对象反射的光被捕捉到，这是因为当这些光返回到范围成像相机时快门被定时打开。类似地，不捕捉从超过一定距离的对象反射的光，这是因为在光返回到距离选通成像相机之前范围成像相机的快门关闭。可以通过调整延时以及快门和闪光速度来调整对象被成像所经过的距离。虽然一些形式的距离选通方法可以有效克服该问题，但是水下摄影中使用的时间域方法不能理想地与基于范围成像的AMCW兼容，这是因为基于范围成像的AMCW使用对场景的延长照明和延长的图像积分时间，从而收集多得多的光，以生成具有显著改善的信噪比的图像；从而达到比脉冲选通方法更好的测量精度。

在本发明的示例性实施方式中，使用伪随机码来克服传统的范围成像相机的缺陷。如下面将要详细描述的，使用伪随机码对发射的照明信号和图像传感器进行调制，以对部分不透明介质（诸如有雾的空气）和对背景和前景对象或人进行补偿。而且，使用伪随机码允许定义成像窗口以使得范围成像相机仅将范围成像窗口内的对象识别为要成像的对象。对传感器进行调谐，以识别特定的照明码图案和定时。成像窗口外面的对象反射的信号不与调谐的图案相匹配，而是由图像融合过程算平均数，并被识别为恒定的背景照明，可以使用任何已知的技术对该恒定的背景照明进行补偿。如下面进一步所述的，能够根据系统的需求动态调整成像窗口的位置和大小。

在本示例性实施方式中，在发射之前使用伪随机码来调制照明信号，使用同一伪随机码来调制图像传感器。当信号从远处的对象反射回范围成像相机时，处理器能够基于相长干涉（constructive interference）对是调制照明信号的反射的信号进行隔离。

通过简单说明的方式，有助于想象图5a中所示的具有相同频率和振幅的两个正弦波混合在一起的情况。当波同步时，出现一种类型的相长干涉，并且混合导致更大振幅的波形，对积分后的实际值进行平均，如产生的混合信号下面的阴影区域所指示的。相反，当波与同步相差90°时，信号的混合造成以下波形，其中部分信号具有的积分值减少，如图5b所示。另外，当波与同步相差180°时，信号的混合造成较低振幅的信号，如图5c所示。图5d、5e和5f分别描述了与同步相差0°、90°和180°的方波的混合。当对已使用同步的伪随机码调制的信号应用该同一原理时，会产生类似的结果，如图6a所示。也就是，当传输的信号混合有同样调制的解调信号时，信号被同步，存在会造成最大相关值与最大积分信号值的相长干涉。

然而，当信号开始变得不同步时，信号快速释放内聚力和其相关值。图6b示出了伪随机码刚开始变成非同步的示例，而图6c示出了伪随机码完全不同步的示例。产生的噪声实际上与通过将使用不同代码调制的两个信号相混合来生成的噪声不能区别。从而，在先前使用伪随机码的应用中，所做出的所有努力都是为了使信号保持同步。然而，当合适地进行控制时，该去同步能带来先前未实现的效果。通过使用伪随机码仔细地调制有关的信号，在对模糊的空气或其他对象进行补偿（或忽略）的同时，能够使用“频域”方法来创建成像窗口，该成像窗口允许成像装置仅对成像窗口内的对象成像。

例如，当对从范围成像相机发射的调制照明信号和对同一范围成像相机的图像传感器应用伪随机码时，只要序列是同步的，范围成像相机将能够对反射的图像解码。然而，当两个伪随机序列失去同步时，就不能对信号解码。相应地，因为信号只经过较短的距离，且几乎立刻被返回——从而保持同步，所以从附近的对象反射出来的信号保持同步。相反地，从位于离成像装置较远的对象反射出来的信号需要较长的时间返回到范围成像相机，从而变得往往更不同步。因此，将不会对特定范围之外的对象成像。实际上，成像窗口提供其外部的信号和对象被忽略的空间。图7a中示出了这样一个示例。如图7a所示，从示例性的范围成像装置100发射的光从对象701和702被反射回到装置100。如果发射的信号在变得与图像传感器的调制不同步之前能够经过的最大距离为2Δ，则成像窗口的前边缘将会在装置100的表面处，而成像窗口的后边缘将会在与装置距离Δ处。因此，将会对从离装置100距离Δ内的对象反射出来的信号合适地成像，而更远的对象将会被有效忽略。如图7a所示，在距离α处的第一对象701将会被忽略，而在距离β处的第二对象702不会被忽略。

应该意识到，不同步的反射信号实际上不需要被成像装置“忽略”。而是，在图像积分之后，所述信号可以被译为DC信号。DC信号可能会促成信号偏移和噪声水平，可以使用具有非常好的“DC偏移抑制”的图像传感器来补偿所述信号偏移和噪声。

上述示例在忽略更多的远距离对象上是有帮助的，但是有一定的局限：其仅能对离范围成像装置一定距离内的对象进行成像，这是因为当使用同步伪随机码来对调制照明信号（发射信号）和图像传感器进行调制时，成像窗口的前边缘将会接近图像传感器。在一些情况下这可能是足够的，诸如当结合游戏系统来使用成像系统时，其中位于装置前面的用户可以试图使用手势识别系统来控制游戏，或者其中用户试图使用手势识别系统来控制电视。然而，通常用户不是房间里唯一的人或者对象。例如，在房间里可能有其他的人或者在场景中（包括在背景中）可以有对象。这一般不理想。当要成像的对象离测距装置有些远时，将成像窗口的前边缘设定得离对象较近、且离传感器较远从而使得雾或烟的影响最小是有利的。类似地，不想要的对象通常比要成像的对象离测距装置较近或者较远。例如，如果在图7a中，想要对第二对象702成像，而不是对第一对象701成像，则需要将范围成像相机100移得离第二对象702较近。这不是一直都可实现的。在范围成像相机藏在漆黑的安全玻璃之后的情况下也会发生类似的困难，这是因为从玻璃内侧的反射可能会以和雾类似的方式会引入误差。

在一个示例性实施方式中，向图像传感器的调制添加延时，以将成像窗口远离成像装置移动。通过改变延时，可以将成像窗口的位置调整成离装置特定的位置，在此其会有效地忽略被成像窗口外面的对象反射的光，同时也使范围成像相机与感兴趣的对象之间的雾或其他对象的影响减轻。这在各种应用中可能是有用的。例如，在用户通常站在离范围成像相机前方4到6英尺远的游戏应用中，范围成像相机可以被设置成忽略离范围成像相机较近或较远的任何对象。类似的，在安全玻璃位于离范围成像相机前方6英寸远的应用中，范围成像相机可以被校准为忽略从范围成像相机的一英尺范围内的对象反射的信号。作为另一个示例，当在车辆保护系统中使用范围成像相机时，范围成像相机可以被设定为仅识别离范围成像相机5到500英尺远的对象，从而消除从离范围成像相机较近的雨或雾反射的光以及从关注区域外面的其他车反射的光。

图3示出了成像系统300的示例，其中处理器303包括用于生成代码的伪随机码生成器307。处理器303还可以包括调制部分308，用于调制由信号装置301生成的调制照明信号，和用于调制图像传感器302。系统300还可以将延时引入到图像传感器中，从而将成像窗口远离图像传感器301移动。

虽然图3示出了简化的系统，但是应该理解，可以使用硬件和软件的许多不同组合来形成范围成像系统。例如，信号装置301和/或图像传感器302可以在系统外部。而且，伪随机码生成器307和/或调制部分308可以在处理器307外部，伪随机码生成器307和/或调制部分308和处理器307也可以是同一装置。

图7b示出了与图7a类似的场景，但是其中用户希望对第二对象702b成像，同时忽略第一对象702a和第三对象703b。再者，成像窗口的有效深度是距离Δ。也就是，从调制信号与图像传感器足够同步的点开始，调制信号可以经过距离2Δ，直到其失去同步。在信号变得同步之前，可以通过调整延时来调整信号经过的距离。因此如图7b所示，成像窗口的深度保持为Δ。然而，成像窗口的离装置100最近的边缘在离装置100距离d处，而远边缘在距离d+Δ处，其中可以通过调整应用到图像传感器的调制的延时来确定距离d。

如上面所看到的，成像窗口的深度Δ是由反射信号和在同步与不同步之间变换的解码信号得到的。每个伪随机序列具有特定的相关函数。当完美地排列整齐反射信号和解码信号时，相关测量就会为一。然而，随着反射信号和解码信号开始错位，相关性减小到零。这导致成像窗口具有三角相关函数，如图8a中的示例所示。在信号完美排列整齐的地方出现三角形的峰值，而随着信号要排列整齐或要错位相关性减小。虽然该减小大体上可以是线性的，如示例中所示，但是根据使用的代码以及响应、带宽或照明和传感器调制的转移函数该减小可能是非线性的。因为成像窗口是变得与成像传感器的调制越来越不同步的反射光的副产品，所以成像窗口可能不是清楚地定义的窗口。反而，在一些实施方式中，窗口将具有定义的非常好的中心和粗略定义的边缘，在边缘处同步逐渐消失变成随机的。这造成大部分信息从窗口的中心聚集，大量的信息向着窗口的前边缘和后边缘聚集越来越少。另外，虽然在图8a中成像窗口的形状被示为三角形，但是该三角形表示由相应距离处的对象反射到装置的数据量。三角形不表示成像窗口的物理形状。

虽然成像窗口被示出为具有三角形状，但是应该理解，该形状不是必须的。在本发明的各种实施方式中，成像窗口可以具有许多不同的形状，包括但不限于，基本上是三角形状、余弦周期形状、圆形形状或正弦形状。具有基本上为三角形状的图像窗口可以在一个或多个方面与三角形状不同，包括但不限于具有圆的或限定不清的拐角或具有限定不清的边缘。

有时候，需要改变窗口的深度Δ。例如，当要成像的对象是“窄的”，且空气中特别多雾时，非常优选成像窗口的深度尽可能得窄，以避免雾或者要成像的对象后面的对象的负面影响。可以以不同的方式调整成像窗口的深度Δ。例如，不同的伪随机码将具有其中相关性以不同的速率减少的不同的相关函数。另外，成像窗口的深度Δ将与伪随机时钟频率成反比。因此，还可以通过调整伪随机或时钟率来改变深度Δ。图8b和8c中示出了这种调整的示例，其中分别减少或增加深度Δ。

另外，使用不同的延时或调制频率，可以将两份伪随机码或者两个或更多个代码一起有效地添加在积分周期内，以用于加宽成像窗口的深度。可以使用多个代码来用两个重叠的或分开的图像窗口替换单个三角形成像窗口。而且，可以通过使用具有定义的不太好的相关性的伪随机码来增加成像窗口的深度，从而使得伪随机码不再在变得有相关性或变得无相关性。这种相关性不好的代码与移动通信领域中已知的对伪随机码的使用相反，在移动通信领域中，尽量使用具有定义的非常好的相关性的代码以准确拒绝其他伪随机码。

根据本发明的一个示例性实施方式，能够使得深度变窄从而在单个时钟周期的过程上相关性从1降到0——也就是，Δ/2=一个时钟周期。可以选择所用的伪随机码和频率来生成具有比三角形更像矩形的形状的成像窗口。通过使用矩形成像窗口，在窗口的整个深度上可以收集到类似数量的数据。这可以得到更准确的亮度确定。

另外，可以通过将伪随机码与连续调制信号混合，来使用现有的范围确定方法。可以用来执行该混合操作的一个方法包括用伪随机序列对连续调制信号进行二进制相位编码。通过对连续调制信号相移p弧度乘以伪随机码来实现该操作。实现该混合的优选方法是将数字异或——也被称为“XOR”函数——应用到连续调制和伪随机信号。

然后可以通过收集接收信号的多个样本来确定对象范围，其中在伪随机序列的相位或偏移保持恒定的同时，向连续调制信号添加相位偏移。在该实施方式中，对象范围可以被编码成连续调制信号的相位，而伪随机码对恢复的连续调制信号的振幅施加权重。该权重对应于选择的距离成像窗口，其中窗口内的对象具有很大的振幅值，而窗口外的对象的振幅基本上为零。然后可以根据多个样本计算连续调制信号的相位，从而向对象提供范围。

在一个示例性实施方式中，范围成像相机可以用作视频会议系统中的组件，在所述视频会议中需要仅对会议参加者进行成像。通过仅对参加者进行成像，可以向图像添加另外的背景数据，使得看起来好像参加者在不同的位置，而他们实际上在诸如大的会议室或在工作现场上。而且，可以对用户成像从而形成头像，该头像可以用在视频游戏或其他计算机生成的环境中。

在另一个示例性实施方式中，处理器被用于识别和跟踪正被成像的人或对象的运动。该处理器可以是上面所述的同样的处理器，或者其可以是其他处理器。

而且，可以基本上实时地调整成像窗口的位置和深度。这将会确保正被成像的人不会不小心地部分或全部移动到成像窗口的外面从而从传输的图像中“消失”。

多个图像测距系统可以使用多个信号发射机和使用不同的伪随机码被调制的图像传感器。这些系统允许在同一场景内在同一时间通过不同的范围成像相机对不同的对象进行成像。

详细的说明描述了各种关于对全磁场系统中的单个像素的处理的实施方式，但是还可以应用到其他应用中，例如应用到诸如来自点扫描系统的单点样本中。另外，在此所述的算法可以通过硬件或软件来实现。而且，在此所述的处理器可以是通用计算机/PC、微控制器、ASIC或任何其他的等价实施。

虽然参考附图完整地描述了本发明的实施方式，但是应该注意，各种改变或修改对于本领域的技术人员来说都是显而易见的。所述改变和修改应该被理解为包括在所附权利要求所限定的本发明的实施方式的范围之内。特别地，下面所讨论的伪随机码的使用不局限于特定代码的使用；也可以使用其他伪随机序列。另外，可以使用其他类型的扩频码，包括但不限于最大长度序列（mcode）、金氏码、沃尔什阿达玛序列（Walsh-Hadamardsequence）、四进制序列（quaternary sequence）和卡沙米码（Kasami code）。

具有固定时钟周期（即，驱动器发射的方波的固定频率）的AMCW范围成像相机在范围成像相机与对象之间的距离使得反射光与发射光的相位相差360°以上时在测距对象中可能会遇到困难。这是因为相移实际上不能够大于360°。由于相移的性质，360°的相移与720°的相移一样，与0°的相移一样。类似的，270°的相移与630°的相移一样。这对于通常的范围成像相机可能会造成困难，因为两个对象的相移可能是一样的，所以当所述对象实际上相距很远时却被确定为离相机相同的距离。通过实施仅包括所需范围内的对象的范围成像窗口，根据本发明的装置可以有效避免上述问题。

另外，从场景中的一个或多个对象散射到感兴趣对象上的光可以引起干涉，因为该散射的光具有更大的路径长度（称为多路径）的辅助照明光源的效果。选择性的距离成像可以通过拒绝具有所选深度的窗口外的路径长度的干涉光来克服该干涉。

Claims (45)

1.一种在离振幅调制连续波范围成像装置的可选距离处对对象进行成像的方法，该方法包括：

发射调制照明信号，其中所述调制照明信号是用伪随机码进行亮度调制的；

在图像传感器处接收所述调制照明信号的反射；

捕捉反射的调制照明信号的多个样本，其中采样是使用所述伪随机码来调制的；

确定所发射的调制照明信号与所述多个样本之间的相移，以确定至少一个相移；以及

基于所确定的相移来确定所述装置与至少一个对象之间的范围。

2.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：对所述采样进行延时来确定成像窗口。

3.根据权利要求2所述的方法，其中基于所述延时来确定所述装置与所述成像窗口之间的距离。

4.根据权利要求2所述的方法，其中测距装置仅对所述成像窗口内的对象进行成像。

5.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括对信号偏移和噪声进行补偿。

6.一种在离振幅调制连续波范围成像装置的可选距离处对对象进行成像的方法，该方法包括：

发射调制照明信号，其中所述调制照明信号是用伪随机码进行亮度调制的；

在图像传感器处接收所述调制照明信号的反射；

捕捉反射的调制照明信号的多个样本，其中采样是使用所述伪随机码来调制的；以及

调整所述伪随机码的操作频率来确定成像窗口，

其中测距装置仅对所述成像窗口内的对象进行成像。

7.根据权利要求6所述的方法，其中基于所述伪随机码的操作频率来确定所述成像窗口的前边缘与后边缘之间的距离。

8.根据权利要求7所述的方法，该方法还包括对信号偏移和噪声进行补偿。

9.一种振幅调制连续波范围成像装置，该振幅调制连续波范围成像装置包括：

照明装置，被配置成发射调制照明信号，其中所述调制照明信号是用伪随机码进行亮度调制的；

图像传感器，用于接收所述调制照明信号的反射，该图像传感器被配置成捕捉反射的调制照明信号的多个样本，其中采样是使用所述伪随机码来调制的；以及

处理器，用于确定所发射的调制照明信号与所述多个样本之间的相移，从而确定至少一个相移，并且相对于调制照明信号的调制来对采样的调制进行延时。

10.根据权利要求9所述的振幅调制连续波范围成像装置，其中所述处理器被配置成基于所确定的相移来确定所述装置与至少一个对象之间的范围。

11.根据权利要求9所述的振幅调制连续波范围成像装置，其中所述照明装置被配置成在所述图像传感器采样时连续发射亮度调制照明信号。

12.根据权利要求9所述的振幅调制连续波范围成像装置，其中所述处理器还被配置成调整所述调制照明信号的时钟周期。

13.根据权利要求9所述的振幅调制连续波范围成像装置，其中相对于调制照明信号的调制对所述采样的调制进行的延时的长度能够基本上实时地被调整。

14.根据权利要求9所述的振幅调制连续波范围成像装置，其中相对于调制照明信号的调制对采样的调制进行的延时的长度能够基于正被成像的对象的运动基本上实时地被调整。

15.根据权利要求14所述的振幅调制连续波范围成像装置，其中测距装置被配置成仅对成像窗口内的对象进行成像。

16.根据权利要求15所述的振幅调制连续波范围成像装置，其中所述成像窗口具有前边缘和后边缘。

17.根据权利要求16所述的振幅调制连续波范围成像装置，其中所述成像窗口基本上具有三角形。

18.根据权利要求9所述的振幅调制连续波范围成像装置，该振幅调制连续波范围成像装置还包括频率调节器，该频率调节器用于调整所述伪随机码的操作频率。

19.根据权利要求9所述的振幅调制连续波范围成像装置，该振幅调制连续波范围成像装置还包括DC补偿器，该DC补偿器用于对对信号偏移和噪声进行补偿。

20.根据权利要求18所述的振幅调制连续波范围成像装置，其中所述成像窗口是基于所述伪随机码的操作频率来确定的。

21.一种使用振幅调制连续波范围成像装置确定到对象的距离的方法，该方法包括：

发射调制照明信号，其中所述调制照明信号是用伪随机码进行调制的；

基于所述伪随机码来调制图像传感器，从而捕捉从所述对象反射的调制照明信号的多个样本；以及

确定所述多个样本与所述调制照明信号之间的相移。

22.根据权利要求21所述的方法，该方法还包括：基于所述相移来确定从所述振幅调制连续波范围成像装置到所述对象的距离。

23.根据权利要求22所述的方法，该方法还包括：基于成像窗口的目标后边缘来定义所述伪随机码。

24.根据权利要求22所述的方法，该方法还包括：

在多个图像中识别所述对象；以及

响应于检测到所述对象正在远离或者朝向所述振幅调制连续波范围成像装置移动，而执行以下至少一者来移动所述成像窗口：

改变所述伪随机码；

改变发射所述调制照明信号中的伪随机码与所述伪随机码调制所述图像传感器之间的时延；或者

改变所述调制照明信号的频率。

25.根据权利要求21所述的方法，该方法还包括：

设定发射所述调制照明信号中的伪随机码与所述伪随机码调制所述图像传感器之间的时延。

26.根据权利要求21所述的方法，其中用混合有连续波的伪随机码调制所述调制照明信号。

27.根据权利要求26所述的方法，该方法还包括：

设定发射所述调制照明信号中的伪随机码与所述伪随机码调制所述图像传感器之间的时延。

28.根据权利要求27所述的方法，其中基于成像窗口的目标前边缘来设定所述时延。

29.根据权利要求27所述的方法，该方法还包括：

基于所述成像窗口的目标后边缘来定义所述伪随机码。

30.一种使用振幅调制连续波范围成像装置确定到对象的距离的用计算机程序编码的非临时性计算机可读介质，所述计算机程序具有用于以下操作的计算机可执行指令：

使调制照明信号被发射，其中所述调制照明信号是用伪随机码进行调制的；

使图像传感器基于所述伪随机码被调制，以捕捉从所述对象反射的所述调制照明信号的多个采样；以及

确定所述多个样本与所述调制照明信号之间的相移。

31.根据权利要求30所述的计算机可读介质，所述计算机程序还包括用于以下操作的指令：

基于所述相移确定从所述振幅调制连续波范围成像装置到所述对象的距离。

32.根据权利要求31所述的计算机可读介质，所述计算机程序还包括用于以下操作的指令：

基于成像窗口的目标后边缘来定义所述伪随机码。

33.根据权利要求31所述的计算机可读介质，所述计算机程序还包括用于以下操作的指令：

在多个图像中识别所述对象；以及

响应于检测到所述对象正在远离或者朝向所述振幅调制连续波范围成像装置移动，而执行以下至少一者来移动所述成像窗口：

改变所述伪随机码；

改变发射所述调制照明信号中的伪随机码与所述伪随机码调制所述图像传感器之间的时延；或者

改变所述调制照明信号的频率。

34.根据权利要求30所述的计算机可读介质，所述计算机程序还包括用于以下操作的指令：

设定发射所述调制照明信号中的伪随机码与所述伪随机码调制所述图像传感器之间的时延。

35.根据权利要求30所述的计算机可读介质，其中用混合有连续波的伪随机码调制所述调制照明信号。

36.根据权利要求35所述的计算机可读介质，所述计算机程序还包括用于以下操作的指令：

设定发射所述调制照明信号中的伪随机码与所述伪随机码调制所述图像传感器之间的时延。

37.根据权利要求36所述的计算机可读介质，其中基于成像窗口的目标前边缘来设定所述时延。

38.根据权利要求36所述的计算机可读介质，所述计算机程序还包括用于以下操作的指令：

基于所述成像窗口的目标后边缘来定义所述伪随机码。

39.一种用于确定到对象的距离的振幅调制连续波范围成像装置，该振幅调制连续波范围成像装置包括：

照明装置，被配置成发射调制照明信号，其中所述调制照明信号是用伪随机码进行调制的；

图像传感器，被配置成捕捉从所述对象反射出来的调制照明信号的多个样本，其中所述图像传感器被配置成通过用所述伪随机码而被调制；以及

处理器，被配置成确定所述调制照明信号与所述多个样本之间的相移。

40.根据权利要求39所述的装置，其中所述处理器还被配置成定义发射所述调制照明信号中的伪随机码与所述伪随机码调制所述图像传感器之间的时延。

41.根据权利要求39所述的装置，其中所述处理器还被配置成基于成像窗口的目标后边缘定义所述伪随机码。

42.根据权利要求39所述的装置，其中用混合有连续波的伪随机码调制所述调制照明信号。

43.根据权利要求42所述的装置，其中所述处理器还被配置成设定发射所述调制照明信号中的伪随机码与所述伪随机码调制所述图像传感器之间的时延。

44.根据权利要求43所述的装置，其中所述处理器还被配置成基于成像窗口的目标前边缘设定所述时延。

45.根据权利要求44所述的装置，其中所述处理器还被配置成基于所述成像窗口的目标后边缘定义所述伪随机码。

Images