CN104849769A - 一种三维测距成像的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维测距成像的系统及方法，包括数字处理器、光源、立体光强照明装置、光信号接收光学装置、单像素光强探测器、AD转换电路、数据采集装置，数字处理器控制立体光强照明装置将光源的光按照立体分布数据进行三维光强投影，光信号遇到目标反射；光信号接收光学装置收集光信号；单像素光强探测器将光信号集中将其转为电信号；AD转换电路将电信号转为数字信号由数据采集装置采集，并将数字信号传至数字处理器由数字处理器存储，完成一次探测。与现有技术相比，本发明结构简单，器件成本低，仅需单像素探测器和普通连续光照明光源，无需调制元件和窄脉冲元件，无需成像接收透镜，具有测量次数少，器件带宽小，探测角度大等优点。

Description

一种三维测距成像的系统及方法

技术领域

本发明涉及三维信息探测成像技术领域，尤其涉及一种利用压缩感知方法、单像素探测器和立体光强分布的方式进行三维测距成像的系统及方法。

背景技术

光学主动三维成像技术是对目标进行三维定位的关键技术，在生物医学、机器视觉、地理遥感等领域广泛应用，例如Sara A Jones等利用三维成像技术实现了对活体细胞的实施测量；Sergio A.R.F.等将激光雷达作为辅助手段应用于城市中车辆目标的跟踪和识别；高精度的三维成像系统在构建地理信息系统等发挥了重要作用；而量子噪声或散粒噪声，最终限制了三维成像测量精度，在主动照明光能量有限时，三维成像系统的分辨率、准确性等将受到光强探测器和光能利用率的限制。

2006年，D.L.Donoho提出了压缩感知(Compressive Sensing，CS)，该理论的基础是待测信号具有可压缩性：信号本身或者被投影到一个新的表达空间时，其向量基的系数集合中非零元素是稀疏的(即非零元素的数目远远小于其系数集的维度)。近年来压缩感知在三维成像技术上的应用研究不断涌现，其一，可利用高性能的单像素探测器，单像素相机架构的使用能使快速三维成像系统绕开低信噪比的像增强器，而采用高性能单像素探测器以达到光子计数测量水平。2011年John C.Howell等利用单像素相机和时间飞行法结合，实现了0.5皮瓦的低接收光强水平的具有256×256横向分辨率的单光子三维成像系统，并实现了32×32像素的14帧率的录像功能；其二，可减少测量次数提高测量速度。2011年Wm.Randall Babbitt等通过发射脉冲和接收器的伪随机二进制编码实现了压缩感知激光测距，样机通过24次780KHz采样率的AD测量获得了40米内3个目标0.3米的分辨率。2012年浙江大学的张秀达、严惠民等在门选通三维测距成像方法基础上，对门选通序列的时间函数进行伪随机编码，通过压缩感知方法测量距离维度上的多个目标，把系统测量速度提高了10倍。值得注意的是，这些研究结果还证明了三维目标信息在横向和轴向都具有可压缩性，本发明为了简化三维测距的硬件系统构成以及改进三维测距成像的性能，提出一种对三维信息进行同步压缩感知测量，利用单像素光强探测器的主动照明式的三维测距成像的系统及方法。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的不足，提供一种简化三维测距的硬件系统构成以及改进三维测距成像性能的三维测距成像的系统和方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种三维测距成像的系统，包括数字处理器、光源、立体光强照明装置、光信号接收光学装置、单像素光强探测器、AD转换电路以及数据采集装置，其中：

数字处理器，通过光源连接立体光强照明装置或者直接连接立体光强照明装置，所述数字处理器用以控制立体光强照明装置将光源的光按照已知的立体分布数据进行三维光强投影，具有立体光强分布的光信号在三维空间遇到待测目标物体后反射；

光信号接收光学装置，连接单像素光强探测器，光信号接收光学装置用以收集反射的光信号；

单像素光强探测器，连接AD转换电路，单像素光强探测器用以将光信号接收光学装置所收集的光信号集中并将其转换为电信号；

AD转换电路，连接数据采集装置，AD转换电路用以实现将电信号转变为数字信号；

数据采集装置，连接数字处理器，数据采集装置用以采集数字信号，并将数字信号回传至数字处理器中并由数字处理器进行存储，至此完成一次探测；

在每一次探测时数字处理器采用不同的已知的立体分布数据，最终经过探测次数小于三维空间中平面像素乘以距离分布像素之积的探测次数，再利用数字处理器所存储的数字信号数据在数字处理器中进行信息处理最终获得待测目标物体的三维测距图像；其中所述的单像素光强探测器的带宽大于系统完成一次探测的时间间隔的倒数。

较佳地，所述的数字处理器可以是个人计算机、嵌入式系统或者是带一定存储空间的DSP装置。

较佳地，所述的立体光强照明装置由多个投影仪组成，其对应的连续光源为非相干光源。

较佳地，所述的立体光强照明装置由全息片组成，其对应的连续光源为相干光源。

较佳地，所述的全息片为旋转全息片或者可控数字全息片。

较佳地，所述的光信号接收光学装置为成像光学系统或者是能量收集光学系统。

一种基于上述系统的成像方法，包括如下步骤：

一、数字处理器控制立体光强照明装置将光源的光按照已知的立体分布数据进行三维光强投影，具有立体光强分布的光信号在三维空间遇到待测目标物体后反射；

二、在步骤一中所反射的光信号由光信号接收光学装置进行收集；

三、光信号接收光学装置所收集到的光信号由单像素光强探测器集中并将其转换为电信号；

四、电信号由AD转换电路转变为数字信号；

五、数字信号由数据采集装置采集将其回传至数字处理器中并由数字处理器进行存储，至此完成一次探测；

在每一次探测时数字处理器采用不同的已知的立体分布数据，最终经过探测次数小于三维空间中平面像素乘以距离分布像素之积的探测次数，再利用数字处理器所存储的数字信号数据在数字处理器中进行信息处理最终获得待测目标物体的三维测距图像；其中所述的单像素光强探测器的带宽大于系统完成一次探测的时间间隔的倒数。

具体地说，本发明的三维测距成像原理在于：投影到探测空间的立体光强分布，在轴向上的某个目标成像面上是一个已知的伪随机分布二维平面点阵，构成该点阵的光分布，由于离焦作用在轴向其他的非目标成像面上快速模糊化，从而失去原伪随机分布信息，多个目标距离二维平面点阵分布叠加最终形成一个伪随机立体光强分布矩阵，光信号经过待测三维目标物体反射后，经过光信号接收光学装置接收并输入到单像素光强探测器，获得相应的一次探测值，从而完成压缩感知方法中的一次探测过程，经过多次探测后，伪随机立体光强分布的集合组成压缩感知方法中所需的伪随机测量矩阵，对应的探测值集合组成压缩感知方法中所需的测量向量，最终通过一次解压缩感知方程后，可重构出待测目标的三维信息矩阵，获得目标物体的三维分布图像。

需要说明的是，关于“立体光强分布”和“伪随机立体光强分布”的定义解释和相互关系：“立体光强分布”在本发明中指主动照明的一种光强分布形式，是一种在探测空间上立体的光强分布形式，例如三维点阵，它显著区别于目前常用的结构光测量三维中所用的二维结构光(平面上强度的相位调制投影)；而“伪随机立体光强分布”则是“立体光强分布”中的一种实现形式，是一种光强在三维空间的伪随机分布，用于实现压缩感知原理中的对未知目标进行探测的伪随机测量矩阵；另外一种与之对应的实现形式是“目标特征具体化立体光强分布”，适用于在三维场景中对已知的兴趣目标(如坦克、飞机等)追踪或定位成像；本发明中“立体”与“三维”含义一致，都表示在自然界三维坐标中的空间范围。

采用了上述技术方案的本发明的设计思想及有益效果是：

本发明提供一种改进三维测距成像的性能以及简化三维测距的硬件系统构成的三维测距成像的系统和方法。本发明系统具有结构简单，器件成本低，仅需单像素探测器和普通连续光照明光源，无需调制元件和窄脉冲元件，无需成像接收透镜，而且本发明系统和方法都具有测量次数少，器件带宽小，探测角度大等优点。

具体地说：

a)将压缩感知原理用于空间三维目标的探测领域，充分发挥了其数据维度压缩的好处，可降低测量次数，从而降低系统带宽，从而降低硬件成本；

b)首次提出将轴向(距离维度)和横向(普通成像平面维度)的测量信息同时进行压缩感知测量，可进一步降低测量次数和系统硬件复杂度；

c)将单像素(单点)光强探测器应用于三维探测中，可充分利用现有的单像素光强探测器性能优势，可实现单光子量级的三维探测系统从而提高精度；另外，单像素光强探测器的使用可摆脱面阵探测器对高质量成像接收光学系统的依赖，从而利用非成像能量接收光学系统进一步提高系统的能量利用率，实现高精度测量和大视角测量。

附图说明

图1为本发明的原理结构框图；

包括：数字处理器1、光源2、立体光强照明装置3、立体光强分布4、光信号接收光学装置5、单像素光强探测器6、AD转换电路7、数据采集装置8；

图2为立体光强照明装置的多投影仪实施原理框图；

包括：投影仪A9、投影仪B10、投影仪C11、投影仪D12、投影仪E13、分光镜A14、分光镜B15、分光镜C16、分光镜D17；

图3为立体光强照明装置的旋转全息片方案原理框图；

包括：激光扩束光学系统18、数控马达19、全息片20、立体光强分布4；

图4为立体光强照明装置的可控数字全息片方案原理框图；

包括：激光耦合光学系统22、相位型空间光调制器23、投影光学系统24、立体光强分布4。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如下：

实施例1：

一种三维测距成像的系统，如图1所示，包括数字处理器1、光源2、立体光强照明装置3、光信号接收光学装置5、单像素光强探测器6、AD转换电路7以及数据采集装置8，其中：

数字处理器1，通过光源2连接立体光强照明装置3或者直接连接立体光强照明装置3，所述数字处理器1用以控制立体光强照明装置3将光源2的光按照已知的立体分布数据进行三维光强投影，具有立体光强分布4的光信号在三维空间遇到待测目标物体后反射；

光信号接收光学装置5，连接单像素光强探测器6，光信号接收光学装置5用以收集反射的光信号；

单像素光强探测器6，连接AD转换电路7，单像素光强探测器6用以将光信号接收光学装置5所收集的光信号集中并将其转换为电信号；

AD转换电路7，连接数据采集装置8，AD转换电路7用以实现将电信号转变为数字信号；

数据采集装置8，连接数字处理器1，数据采集装置8用以采集数字信号，并将数字信号回传至数字处理器1中并由数字处理器1进行存储，至此完成一次探测；

其中，在每一次探测时数字处理器1采用不同的已知的立体分布数据，最终经过探测次数小于三维空间中平面像素乘以距离分布像素之积的探测次数，再利用数字处理器1所存储的数字信号数据在数字处理器1中进行信息处理最终获得待测目标物体的三维测距图像；所述的单像素光强探测器6的带宽大于系统完成一次探测的时间间隔的倒数。

具体地说，数字处理器1采用计算机；如图2所示，立体光强照明装置3由多个投影仪组成，其对应的连续光源为非相干光源，具体包括投影仪A9、投影仪B10、投影仪C11、投影仪D12、投影仪E13、分光镜A14、分光镜B15、分光镜C16、分光镜D17，其中投影仪A9可以通过投影仪B10和分光镜A14进行更多投影仪的扩展，投影仪E13可通过投影仪D12和分光镜D17进行更多投影仪的扩展；光信号接收光学装置5为成像光学系统。

一种三维测距成像的方法，包括如上所述的三维测距成像的系统，包括如下步骤：

一、数字处理器1控制立体光强照明装置3将光源的光按照已知的立体分布数据进行三维光强投影，具有立体光强分布4的光信号在三维空间遇到待测目标物体后反射；

二、在步骤一中所反射的光信号由光信号接收光学装置5进行收集；

三、光信号接收光学装置5所收集到的光信号由单像素光强探测器6集中并将其转换为电信号；

四、电信号由AD转换电路7转变为数字信号；

五、数字信号由数据采集装置8采集将其回传至数字处理器1中并由数字处理器1进行存储，至此完成一次探测；

在每一次探测时数字处理器1采用不同的已知的立体分布数据，最终经过探测次数小于三维空间中平面像素乘以距离分布像素之积的探测次数，再利用数字处理器1所存储的数字信号数据在数字处理器1中进行信息处理最终获得待测目标物体的三维测距图像；其中所述的单像素光强探测器6的带宽大于系统完成一次探测的时间间隔的倒数。

实施例2：

一种三维测距成像的系统，如图1所示，包括数字处理器1、光源2、立体光强照明装置3、光信号接收光学装置5、单像素光强探测器6、AD转换电路7以及数据采集装置8，其中：

数字处理器1，通过光源2连接立体光强照明装置3或者直接连接立体光强照明装置3，所述数字处理器1用以控制立体光强照明装置3将光源的光按照已知的立体分布数据进行三维光强投影，具有立体光强分布4的光信号在三维空间遇到待测目标物体后反射；

光信号接收光学装置5，连接单像素光强探测器6，光信号接收光学装置5用以收集反射的光信号；

单像素光强探测器6，连接AD转换电路7，单像素光强探测器6用以将光信号接收光学装置5所收集的光信号集中并将其转换为电信号；

AD转换电路7，连接数据采集装置8，AD转换电路7用以实现将电信号转变为数字信号；

数据采集装置8，连接数字处理器1，数据采集装置8用以采集数字信号，并将数字信号回传至数字处理器1中并由数字处理器1进行存储，至此完成一次探测；

在每一次探测时数字处理器1采用不同的已知的立体分布数据，最终经过探测次数小于三维空间中平面像素乘以距离分布像素之积的探测次数，再利用数字处理器1所存储的数字信号数据在数字处理器1中进行信息处理最终获得待测目标物体的三维测距图像；其中所述的单像素光强探测器6的带宽大于系统完成一次探测的时间间隔的倒数。

其中，数字处理器1是计算机；立体光强照明装置3由全息片组成，其对应的连续光源为相干光源；全息片为旋转全息片，具体如图3所示，包括：激光扩束光学系统18、数控马达19、全息片20、立体光强分布4；或者全息片为可控数字全息片，具体如图4所示，包括：激光耦合光学系统22、相位型空间光调制器23、投影光学系统24、立体光强分布4；所述的光信号接收光学装置5为成像光学系统。

一种基于上述系统的成像方法，包括如下步骤：

一、数字处理器1控制立体光强照明装置3将光源的光按照已知的立体分布数据进行三维光强投影，具有立体光强分布4的光信号在三维空间遇到待测目标物体后反射；

二、在步骤一中所反射的光信号由光信号接收光学装置5进行收集；

三、光信号接收光学装置5所收集到的光信号由单像素光强探测器6集中并将其转换为电信号；

四、电信号由AD转换电路7转变为数字信号；

五、数字信号由数据采集装置8采集将其回传至数字处理器1中并由数字处理器1进行存储，至此完成一次探测；

其中，在每一次探测时数字处理器1采用不同的已知的立体分布数据，最终经过探测次数小于三维空间中平面像素乘以距离分布像素之积的探测次数，再利用数字处理器1所存储的数字信号数据在数字处理器1中进行信息处理最终获得待测目标物体的三维测距图像；其中所述的单像素光强探测器6的带宽大于系统完成一次探测的时间间隔的倒数。

本发明实施例1和实施例2的三维测距成像原理在于：投影到探测空间的立体光强分布，在轴向上的某个目标成像面上是一个已知的伪随机分布二维平面点阵，构成该点阵的光分布，由于离焦作用在轴向其他的非目标成像面上快速模糊化，从而失去原伪随机分布信息，多个目标距离二维平面点阵分布叠加最终形成一个伪随机立体光强分布矩阵，光信号经过待测三维目标物体反射后，经过光信号接收光学装置接收并输入到单像素光强探测器，获得相应的一次探测值，从而完成压缩感知方法中的一次探测过程，经过多次探测后，伪随机立体光强分布的集合组成压缩感知方法中所需的伪随机测量矩阵，对应的探测值集合组成压缩感知方法中所需的测量向量，最终通过一次解压缩感知方程后，可重构出待测目标的三维信息矩阵，获得目标物体的三维分布图像。

需要说明的是，关于“立体光强分布”和“伪随机立体光强分布”的定义解释和相互关系：“立体光强分布”在本发明中指主动照明的一种光强分布形式，是一种在探测空间上立体的光强分布形式，例如三维点阵，它显著区别于目前常用的结构光测量三维中所用的二维结构光(平面上强度的相位调制投影)；而“伪随机立体光强分布”则是“立体光强分布”中的一种实现形式，是一种光强在三维空间的伪随机分布，用于实现压缩感知原理中的对未知目标进行探测的伪随机测量矩阵；另外一种与之对应的实现形式是“目标特征具体化立体光强分布”，适用于在三维场景中对已知的兴趣目标(如坦克、飞机等)追踪或定位成像；本发明中“立体”与“三维”含义一致，都表示在自然界三维坐标中的空间范围。

具体地说：

1,压缩感知原理应用于三维成像探测的实现原理，假设系统照明以伪随机立体光点阵方式投影至三维空间共有n×n×d点阵。根据光传播特性，碰到余弦反射目标，从同一平面的n×n点阵反射的能量对接收探测器贡献基本一致，而从不同深度的平面点阵反射的能量由光强的距离平方关系确定，即I∝1/r²。设第i次投影到目标空间的伪随机光强点阵为经过M次探测获得的测量信号向量为s＝[s₁,s₂,...,s_r,...,s_M]^T∈R^M。三维目标为经过投影矩阵变换(TX＝θ)，变换到稀疏表达空间信号的线性测量要求满足经过向量合并和矩阵运算后，可以获得对三维信号测量的压缩感知公式：

$s=\mathrm{\Ψvec}\left(\mathrm{\θ}\right)+n=\left[\begin{array}{c}\mathrm{vec}{\left(T^T{P}_1\right)}^T\\ ...\\ \mathrm{vec}{\left(T^T{P}_M\right)}^T\end{array}\right]\mathrm{vec}\left(\mathrm{\θ}\right)+n,---\left(1\right)$

其中的n∈R^M为噪声向量，vec(·)为向量化运算符。根据公式(1)和已知的伪随机矩阵则可以构建测量矩阵Ψ，而将Ψ和S代入到已有的l₁范数约束恢复算法，即代入Basis Pursuit()的重建算法，可实现三维目标的恢复，获得三维测距图像。

2.伪随机立体光强分布的实现原理，伪随机立体光强分布的实现有多种形式。其中之一是多像面投影系统，例如多个投影装置将不同的平面随机点阵一次投影到同一个视场角下的不同成像距离，实施方案如图3所示。根据离焦作用可以在距离维度获得光强度的调制控制，从而构成了一个伪随机立体光强分布。

通过多路复用相位编码(multiplexed phase encoded，MPE)技术可以利用单个空间光调制器来实现伪随机立体光强分布。根据傅里叶光学，光场从平面P1传播z₁距离到平面P2，如果想在P2获得图样G₁，设光传播距离z₁的菲涅尔环带相位函数Z₁，则只需要设置P1上的相应输入光场的分布函数为T₁＝Z₁₀*IFT(G₁Z₁ ^*)，即G₁和Z₁的复共轭的傅里叶逆变换，其中Z₁₀是关于P1和P2上光轴相互位置的菲涅尔环带相位函数。如想同时在不同的距离获得不同光场图样，则需在P1输入平面上的输入即多个不同的传播距离z_i和图样G_i得到的T_i相加。将该T写入到全息光栅盘上实现方案如图3所示，或者通过相位型空间光调制器如图4来实现。则可以实现在不同距离上获得不同的光强图案，获得可控的立体光强分布。

3.由于光线的传播和离焦作用，在第k个目标深度的光强分布是聚焦光强分布和其他离焦光强分布之和，其中离焦光强分布可通过其他目标深度的光强分布与相应的点扩散函数的二维卷积来实现。其计算公式如下：

$I_k=\underset{i=1}{\overset{d}{\mathrm{\Σ}}}\∫\∫\frac{C}{{r_k}^2}{h}_{\mathrm{ik}}(u,v){\tilde{p}}_i(u-x,v-y)\mathrm{dudv},$

其中，和h_ik分别代表理想的第i个目标深度聚焦图样和从i深度到k深度的离焦点扩散函数。

4.如图1所示，数字处理器1控制立体光强照明装置3将光源2的光按照已知的立体分布数据进行三维光强投影，具有立体光强分布的光信号在三维空间遇到待测目标物体后反射，反射的光信号进入光信号接收光学装置5收集，集中到单像素光强探测器6上并转化为电信号，电信号经过AD转换电路7转变为数字信号被数据采集装置8采集，并回传到数字处理器1中并存储，完成一次探测。每一次探测时数字处理器1采用一个不同的已知伪随机立体光强分布，重复上述步骤完成一次探测，最终经过探测次数远小于三维空间中平面像素乘以距离分布像素之积的探测次数，再利用所存储的数字信号数据在数字处理器1中进行信息处理最终获得目标物体的三维分布图像。

Claims (7)

1.一种三维测距成像的系统，其特征在于：包括数字处理器、光源、立体光强照明装置、光信号接收光学装置、单像素光强探测器、AD转换电路以及数据采集装置，其中：

数字处理器，通过光源连接立体光强照明装置或者直接连接立体光强照明装置，所述数字处理器用以控制立体光强照明装置将光源的光按照已知的立体分布数据进行三维光强投影，具有立体光强分布的光信号在三维空间遇到待测目标物体后反射；

光信号接收光学装置，连接单像素光强探测器，光信号接收光学装置用以收集反射的光信号；

单像素光强探测器，连接AD转换电路，单像素光强探测器用以将光信号接收光学装置所收集的光信号集中并将其转换为电信号；

AD转换电路，连接数据采集装置，AD转换电路用以实现将电信号转变为数字信号；

数据采集装置，连接数字处理器，数据采集装置用以采集数字信号，并将数字信号回传至数字处理器中并由数字处理器进行存储，至此完成一次探测；

在每一次探测时数字处理器采用不同的已知的立体分布数据，最终经过探测次数小于三维空间中平面像素乘以距离分布像素之积的探测次数，再利用数字处理器所存储的数字信号数据在数字处理器中进行信息处理最终获得待测目标物体的三维测距图像；其中所述的单像素光强探测器的带宽大于系统完成一次探测的时间间隔的倒数。

2.根据权利要求1所述的一种三维测距成像的系统，其特征在于：所述的数字处理器可以是个人计算机、嵌入式系统或者是带一定存储空间的DSP装置。

3.根据权利要求1所述的一种三维测距成像的系统，其特征在于：所述的立体光强照明装置由多个投影仪组成，其对应的连续光源为非相干光源。

4.根据权利要求1所述的一种三维测距成像的系统，其特征在于：所述的立体光强照明装置由全息片组成，其对应的连续光源为相干光源。

5.根据权利要求4所述的一种三维测距成像的系统，其特征在于：所述的全息片为旋转全息片或者可控数字全息片。

6.根据权利要求1所述的一种三维测距成像的系统，其特征在于：所述的光信号接收光学装置为成像光学系统或者是能量收集光学系统。

7.一种基于权利要求1～6任一项所述系统的成像方法，其特征在于包括如下步骤：

一、数字处理器控制立体光强照明装置将光源的光按照已知的立体分布数据进行三维光强投影，具有立体光强分布的光信号在三维空间遇到待测目标物体后反射；

二、在步骤一中所反射的光信号由光信号接收光学装置进行收集；

三、光信号接收光学装置所收集到的光信号由单像素光强探测器集中并将其转换为电信号；

四、电信号由AD转换电路转变为数字信号；

五、数字信号由数据采集装置采集将其回传至数字处理器中并由数字处理器进行存储，至此完成一次探测；

在每一次探测时数字处理器采用不同的已知的立体分布数据，最终经过探测次数小于三维空间中平面像素乘以距离分布像素之积的探测次数，再利用数字处理器所存储的数字信号数据在数字处理器中进行信息处理最终获得待测目标物体的三维测距图像；其中所述的单像素光强探测器的带宽大于系统完成一次探测的时间间隔的倒数。