CN103760570B - 一种基于仿人眼视觉机理的激光三维成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光三维成像领域，特别是涉及一种基于仿人眼视觉机理的激光三维成像方系统。该系统包括触发器、脉冲激光器、发射光学模块、非均匀采集模块、信号处理模块、显示器。采用非均匀采集模块，目标经脉冲激光器照射后，反射或散射的脉冲回波依次经过第一镜片、第二镜片、第三镜片，成像在探测器阵列板上；探测器阵列板由一系列独立的探测器组成，每环探测器数量相同，排列成环状，环环相切，且相邻像素之间相切，每环所在圆环半径成指数增长，且每环探测器的光斑面积随指数增加，实现对目标进行分辨率可变的采集；探测器阵列将光信号转换成电信号，由信号处理模块按照“环”选通的方式按照由内环向外环依次读出。实现快速、高效的传输数据。

Description

一种基于仿人眼视觉机理的激光三维成像系统

技术领域

本发明属于激光三维成像领域，特别是涉及一种基于仿人眼视觉机理的激光三维成像系统。

背景技术

随着高新技术的飞速发展，三维视觉传感器因能够获取大量且实时的目标信息而广泛的应用于机器视觉、图像监控、智能导航等领域。相比较传统的二维视觉传感器而言，激光三维成像不仅能够提供目标强度像，而且还能提供目标的距离信息，因此对目标的描述更加丰富、准确。但目前的高灵敏度探测器受到工艺制约，难以实现大面阵。因此目前仍以扫描成像为主，使得成像效率难以提高，无法满足实时性的需求，具体表现在三方面：（1）成像效率无法满足需求。扫描方式主要是通过扫描机构对目标进行多次成像，然后叠加的一种成像方式，这种方式需要若干次扫描才能完成一幅图像的获取，虽然分辨率可以通过增加扫描次数提高，但是成像效率较慢，无法满足实时性的需求。（2）体积庞大，重量难以降低。目前的扫描机构多以机械结构为主，对于较大范围的成像势必需要扫描范围更大的结构，导致系统集成度下降，难以实现小型化。（3）分辨率较低。由于受加工工艺的制约，难以形成高灵敏、大面阵探测器阵列，因此，难以满足高分辨率成像需求。据调研，人眼视网膜具有非均匀采样特性，且视觉传输能够有效降低数据冗余，有利于快速成像，这为解决以上问题提供了一种新方法。首先，人眼视网膜结构为非均匀排列，视网膜中的神经元由内向外逐渐减少，这使得视网膜中央可以更精细的分辨目标，周边粗略的描述目标，因此，可以对感兴趣区域高分辨率成像，对非感兴趣区域粗略观察；其次，人眼视网膜与大脑皮层近似对数极坐标映射，使其对视网膜外围区域具有很好的数据压缩特性，满足数据实时传输的需求；最后，人眼视网膜为面阵成像，无需扫描机构，可减轻系统质量，有利于系统小型化。

因此，本专利提出一种基于仿人眼视觉基理的脉冲激光三维成像系统，通过设计仿人眼视网膜的面阵结构，实现大视场、高分辨率、快速的激光三维成像。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统激光三维成像存在的分辨率低、成像速度慢，结构体积庞大等问题，提供一种仿人眼视觉基理的激光三维成像系统。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种基于仿人眼视觉基理的激光三维成像系统，包括触发器、脉冲激光器、发射光学模块、非均匀采集模块、信号处理模块、显示器。

连接关系：

触发器向脉冲激光器发送触发信号，脉冲激光器发出激光脉冲，经过发射光学模块后，照射到目标，经过目标反射或散射的回波被非均匀采集模块接收，经过信号处理模块处理后，在显示器上显示图像。

其中，非均匀采集模块包括压圈、第一镜片、第一隔圈，第二镜片，第二隔圈、第三镜片、固定架、紧定螺钉、探测器阵列板、探测器阵列架、框架、滚花螺钉。

连接关系：

固定架用于放置第一镜片、第一隔圈、第二镜片、第二隔圈、第三镜片，并且在固定架的前端留有螺纹，与压圈螺接。首先，第三镜片放入固定架中，其次，沿轴线方向依次放入第二隔圈、第二镜片、第一隔圈、第一镜片，使其相互紧靠，最后，将压圈旋入固定架预留的螺纹，压住第一镜片，从而使得压圈，第一镜片、第一隔圈、第二镜片、第二隔圈、第三镜片、固定架形成一整体，称之为成像物镜。固定架的后方留有唇边，与框架形成滑动配合，探测器阵列板粘固在探测器阵列架上，形成整体，将其沿轴向放入框架中，框架留有“1”型槽，且探测器阵列架留有螺孔，当螺孔处于“1”型槽时，将滚花螺钉旋入探测器阵列架的螺孔中，使得探测器阵列架相对于框架可以沿轴向运动；当成像物镜的像面与探测器阵列板重合时，将紧定螺钉旋入框架的螺孔中，压住固定架的唇边，同时旋紧滚花螺钉，紧固探测器阵列架。

一种基于仿人眼视觉基理的激光三维成像系统，采用非均匀采集模块，目标经脉冲激光器照射后，反射或散射的脉冲回波依次经过第一镜片、第二镜片、第三镜片，成像在探测器阵列板上，探测器阵列板由一系列独立的探测器组成，每环探测器数量相同，排列成环状，环环相切，且相邻像素之间相切，每环所在圆环半径成指数增长，且每环探测器的光斑面积随指数增加，因此能够实现对目标进行分辨率可变的采集，探测器阵列将光信号转换成电信号，由信号处理模块按照“环”选通的方式按照由内环向外环依次读出。实现了仿人眼视觉传输基理，从而能够实现快速、高效的传输数据。

有益效果：

（1）本发明提出的一种基于仿人眼视觉机理的激光三维成像系统，基于仿人眼视网膜结构，采用空间分辨率可变的方式对目标进行采样，兼顾大视场与高分辨率等优点；

（2）本发明提出的一种基于仿人眼视觉机理的激光三维成像系统，采用环形读出信号的数据处理模块，实现对数极坐标映射，具有尺度与旋转不变的特性，同时还具有压缩冗余数据的优点，有利于高速、实时的大数据量处理场合；

（3）本发明提出的一种基于仿人眼视觉机理的激光三维成像系统，通过峰值鉴别法提取脉冲发射与接收的终止与起始时刻，计算出系统与目标之间的距离，从而实现了距离像的获取，有利于丰富对目标的描述；

（4）本发明提出的一种基于仿人眼视觉机理的激光三维成像系统，能够对感兴趣区域高分辨率观察，避免了目前探测器阵列因工艺制约而无法高分辨率成像的缺点，同时有效克服传统扫描方式体积庞大，扫描效率低的缺点。

附图说明

图1为本发明系统原理图；

图2为本发明采集模块系统结构图；

图3为本发明采集模块连接图；

图4为本发明探测器阵列布局图；

图5为峰值鉴别原理图；

其中，1-触发器、2-脉冲激光器、3-发射光学模块、4-目标、5-非均匀采集模块、6-信号处理模块、7-显示器、8-压圈、9-第一镜片、10-第一隔圈、11-第二镜片、12-第二隔圈、13-第三镜片、14-固定架、15-紧定螺钉、16-探测器阵列板、17-探测器阵列架、18-框架、19-滚花螺钉、20-盲孔区域圆环、21-第一环像素所在圆环、22-第二环像素所在圆环、23-第三环像素所在圆环、24-第i环像素所在圆环、25-第M环像素所在圆环、26-盲孔区域、27-第一环像素直径、28-第二环像素直径、29-第三环像素直径、30-第i环像素直径、31-第M环像素直径、32-起始脉冲、33-起始时刻、34-终止时刻、35-脉冲回波。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

一种基于仿人眼视觉基理的激光三维成像系统，包括触发器1，脉冲激光器2，发射光学模块3，非均匀采集模块5，信号处理模块6，显示器7。

系统原理：如图1所示，图中的虚线为光波信号，实线为电信号，触发器1向脉冲激光器2发送触发信号，脉冲激光器2发出激光脉冲，经过发射光学模块3后，照射到目标4，经过目标4反射或散射的回波被非均匀采集模块5接收，经过信号处理模块6处理后，在显示器7上显示图像。

其中，触发器1、脉冲激光器2、发射光学模块3为常规的结构装置，非本专利论述重点。非均匀采集模块5的结构如图2所示，包括压圈8、第一镜片9、第一隔圈10，第二镜片11，第二隔圈12、第三镜片13、固定架14、紧定螺钉15、探测器阵列板16、探测器阵列架17、框架18、滚花螺钉19。

连接关系见图3，

固定架14用于放置第一镜片9、第一隔圈10、第二镜片11、第二隔圈12、第三镜片13，并且在固定架14的前端留有螺纹，与压圈8螺接。先将第三镜片13放入固定架14中，然后，沿轴线方向依次放入第二隔圈12、第二镜片11、第一隔圈10、第一镜片9，使其相互紧靠，再将压圈8旋入固定架14预留的螺纹，压住第一镜片9，从而使得压圈8、第一镜片9、第一隔圈10、第二镜片11、第二隔圈12、第三镜片13、固定架14形成一整体，称之为成像物镜。固定架14的后方留有唇边，与框架18形成滑动配合，探测器阵列板16粘固在探测器阵列架17上，形成整体，将其沿轴向放入框架18中，框架18留有“1”型槽，且探测器阵列架17留有螺孔，当螺孔处于“1”型槽时，将滚花螺钉19旋入探测器阵列架17的螺孔中，使得探测器阵列架17相对框架18可以沿轴向运动；当成像物镜的像面与探测器阵列板16重合时，将紧定螺钉15旋入框架18的螺孔中，压住固定架14的唇边，同时旋紧滚花螺钉19，紧固探测器阵列架17，以上完成采集模块连接。

其中，探测器阵列板16上的探测器布局结构如图4所示，由M环，每环N个像素组成，排布成环状，且相邻像素之间相切，图4中，盲孔区域26位于探测器阵列的中央，设盲孔区域圆环20的半径为r₀，第一环像素所在圆环21的半径为r₁，第二环像素所在圆环22的半径r₂，第三环像素所在圆环23的半径r₃，第i环像素所在圆环24的半径r_i，第M环像素所在圆环25的半径r_M，第一环像素27的直径D₁，第二环像素28的直径D₂，第三环像素29的直径D₃，第i环像素30的直径D_i，第M环像素31的直径，各环半径的增长因子为q，以上参数满足下式：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_1=\frac{r_0}{1-\sin (\mathrm{\π}/N)}\\ D_1\frac{{2r}_0\sin (\mathrm{\π}/N)}{1-\sin (\mathrm{\π}/N)}\\ q=\frac{1+\sin (\mathrm{\π}/N)}{1-\sin (\mathrm{\π}/N)}\\ r_i=q^{i-1}\·r_1\\ D_i=q^{i-1}\·D_1\\ i=\mathrm{2,3,4}...M\end{array}\right.\backslash *\mathrm{MERGEFORMAT}\left(1\right)$

由式可以看出随着环数i的增加，像素所在圆环的半径以指数q增加，说明对目标4采样在空间上分辨率是变化的，且符合指数关系，能够模拟人眼视网膜的非均匀采样特性，这种特性使得系统能够对目标进行高低分辨率同时采样，从而能够以少量探测器阵列实现了高分辨率采样，相比较传统成像方式，在探测器阵列数量相同情况下，可以更好的兼顾大视场与高分辨率。信号处理模块6对目标4的回波进行两方面处理：一方面，环形读取像素信号，完成对数极坐标映射，从而能够实现数据冗余压缩，提高系统的实时性，并且该系统具有尺度与旋转不变的特性，有利于提高系统智能化程度；另一方面，通过峰值鉴别方法判断每个像素的回波信号的起止时间间隔，从而实现对目标4的距离像获取，有利于丰富对目的描述。对于前者，根据图4所示，探测器阵列16的布局结构已经满足了从笛卡尔坐标到对数极坐标的转换关系，因此，由像素读的环形读取直接完成。对于后者的回波时刻提取，具体论述如下：

本实例中，采用回波峰值鉴别的方法进行时刻提取，原理如图5所示，图中横轴为时间轴，纵轴为回波强度轴，起始脉冲32由脉冲激光器2发出，其空间分布函数由式(2)表示

$P_t\left(t\right)=\frac{E_t}{\mathrm{\τ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp \left(\frac{{-t}^2}{{2\mathrm{\τ}}^2}\right)\backslash *\mathrm{MERGEFORMAT}\left(2\right)$

式中，P_t(t)为发射脉冲功率，E_t为脉冲能量，τ-发射脉冲宽度。起始时刻33为起始脉冲32的峰值点，记为时刻t₁。起始脉冲32经过目标4后，脉冲回波35由式(3)表示。

$\left\{\begin{array}{c}{P}_r\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_r{T}_a^2{T}_o{E}_t}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\τ}}_r}\·\exp [-\frac{1}{{2\mathrm{\τ}}_r^2}{(t-\frac{2R}{c})}^2]\\ {{\mathrm{\τ}}_r}^2={\mathrm{\τ}}^2+\frac{{\tan }^2\left(\mathrm{\θ}\right)w^2\left(z\right)}{c^2}\\ w\left(z\right)=w_0[1+{\left(\frac{\mathrm{\λz}}{{\mathrm{\πw}}_0^2}\right)}^2]\end{array}\right.\backslash *\mathrm{MERGEFORMAT}\left(3\right)$

P_r(t)-探测器接收回波功率，ρ_r-目标反射率，T_a-单程大气通过率，T_o-光学系统效率，τ_r-回波脉冲宽度，R-目标距系统的距离，w₀-束腰半径，w(z)-光束传播距离z处的光束半径（z=R），λ-光束波长，θ-目标与光轴垂直方向的夹角。

脉冲回波35的峰值点为终止时刻34，记为时刻t₂，终止时刻t₂与起始时刻t1的时间差，记为Δt，通过式(4)得到

Δt＝t₂-t₁\*MERGEFORMAT(4)

设目标4与系统之间的距离为R，光速为c，则R可以通过式(5)求取

R＝c·Δt/2\*MERGEFORMAT(5)

信号处理模块6对于探测器阵列板16的各个像素分别求取对应的距离，从而完成目标4的距离像获取。

综上所述，相比较传统的激光三维成像系统，基于仿人眼视觉机理的激光三维成像系统，不仅能够实现大视场搜索，同时能够压缩冗余数据，具有分辨率高、成像速度快、数据压缩比大、适用性广等优点。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于仿人眼视觉基理的激光三维成像系统，其特征在于：包括触发器(1)，脉冲激光器(2)，发射光学模块(3)，非均匀采集模块(5)，信号处理模块(6)，显示器(7)；触发器(1)向脉冲激光器(2)发送触发信号，脉冲激光器(2)发出激光脉冲，经过发射光学模块(3)后，照射到目标，经过目标反射或散射的回波被非均匀采集模块(5)接收，经过信号处理模块(6)处理后，在显示器(7)上显示图像；

所述非均匀采集模块(5)，包括压圈(8)、第一镜片(9)、第一隔圈(10)，第二镜片(11)，第二隔圈(12)、第三镜片(13)、固定架(14)、紧定螺钉(15)、探测器阵列板(16)、探测器阵列架(17)、框架(18)、滚花螺钉(19)；

连接关系：

固定架(14)用于放置第一镜片(9)、第一隔圈(10)、第二镜片(11)、第二隔圈(12)、第三镜片(13)，并且在固定架(14)的前端留有螺纹，与压圈(8)螺接；先将第三镜片(13)放入固定架(14)中，然后，沿轴线方向依次放入第二隔圈(12)、第二镜片(11)、第一隔圈(10)、第一镜片(9)，使其相互紧靠，最后，将压圈(8)旋入固定架(14)预留的螺纹，压住第一镜片(9)，从而使得压圈(8)、第一镜片(9)、第一隔圈(10)、第二镜片(11)、第二隔圈(12)、第三镜片(13)、固定架(14)形成一整体，称之为成像物镜；固定架(14)的后方留有唇边，与框架(18)形成滑动配合；探测器阵列板(16)由一系列独立的探测器组成，每环探测器数量相同，排列成环状，环环相切，且相邻像素之间相切，每环所在圆环半径成指数增长，且每环探测器的光斑面积随指数增加，从而实现对目标进行分辨率可变的采集，同时探测器阵列将光信号转换成电信号并由信号处理模块按照“环”选通的方式按照由内环向外环依次读出；探测器阵列板(16)粘固在探测器阵列架(17)上，形成整体，将其沿轴向放入框架(18)中，框架(18)留有“1”型槽，且探测器阵列架(17)留有螺孔，当螺孔处于“1”型槽时，将滚花螺钉(19)旋入探测器阵列架(17)的螺孔中，使得探测器阵列架(17)相对框架(18)可以沿轴向运动；当成像物镜的像面与探测器阵列板(16)重合时，将紧定螺钉(15)旋入框架(18)的螺孔中，压住固定架(14)的唇边，同时旋紧滚花螺钉(19)，紧固探测器阵列架(17)。

2.根据权利要求1所述的一种基于仿人眼视觉基理的激光三维成像系统的成像方法，其特征在于：所述非均匀采集模块(5)的采集方法是目标经脉冲激光器脉照射后，反射或散射的脉冲回波依次经过第一镜片(9)、第二镜片(11)、第三镜片(13)，成像在探测器阵列板(16)上，探测器阵列板(16)由一系列独立的探测器组成，每环探测器数量相同，排列成环状，环环相切，且相邻像素之间相切，每环所在圆环半径成指数增长，且每环探测器的光斑面积随指数增加，因此能够实现对目标进行分辨率可变的采集，探测器阵列将光信号转换成电信号，由信号处理模块按照“环”选通的方式按照由内环向外环依次读出，实现快速、高效的传输数据。