CN106569330B - 一种光学图案的设计方法、面阵投影装置及一种深度相机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学图案的设计方法，所述方法包括：生成规则的第一图案，所述第一图案中包括多个按照固定横纵间距排列的第一斑点颗粒；随机移动所述第一图案中的各所述第一斑点颗粒，得到第二图案；将所述第二图案中的所述第一斑点颗粒按照预设规则重新排列，得到第一光学图案，所述第一光学图案为光源排列图案，用于与第二光学图案复合后形成复合光学图案，所述第二光学图案为单束光经过衍射光学元件扩束形成的图案。本发明还公开了一种面阵投影装置和一种深度相机。通过上述方式，能够得出均匀且具有较强不相关性的复合光学图案，同时采用这种设计方法制作的投影装置具有体积小、功耗低以及透射均匀的优点。

Description

一种光学图案的设计方法、面阵投影装置及一种深度相机

技术领域

本发明涉及光学领域，特别是涉及一种光学图案的设计方法、面阵投影装置及一种深度相机。

背景技术

深度相机由于其精度高、采集速度快等优点目前被广泛使用在体感游戏、机器人及无人机视觉系统等领域。深度相机包括投影模组，投影模组一般由单个激光光源、透镜、衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOE)构成。深度相机通过其中的投影模组向目标空间投射固定的结构光散斑图案，而结构光散斑图案的样式往往由DOE来决定。

随着深度相机的应用领域越来越广泛，除了机器人、无人机等设备之外，深度相机也会逐步集成到平板、手机等设备中去，这就要求深度相机有着更小的体积、更低的功耗以及更强的性能，而采用单个激光光源的投影模组往往不能满足此要求。

同时，为了准确计算出目标空间的深度图像一般要求散斑图案均匀且具有较强的不相关性，此时如若不采用单个激光光源，则结构光散斑图案的不相关性除了受DOE的影响外，还需要考虑光源的排列设计。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种光学图案的设计方法、面阵投影装置及深度相机，能够实现深度相机体积小、计算的深度值精确等优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种光学图案的设计方法，包括：生成规则的第一图案，所述第一图案中包括多个按照固定横纵间距排列的第一斑点颗粒；随机移动所述第一图案中的各所述第一斑点颗粒，得到第二图案；将所述第二图案中的所述第一斑点颗粒按照预设规则重新排列，得到第一光学图案，所述第一光学图案为光源排列图案，用于与第二光学图案复合后形成复合光学图案，所述第二光学图案为单束光经过衍射光学元件扩束形成的图案。

进一步地，生成规则的第三图案，所述第三图案中包括多个按照固定横纵间距排列的第二斑点颗粒；随机移动所述第三图案中的各所述第二斑点颗粒，得到所述第二光学图案。

其中，将所述第二图案中的所述第一斑点颗粒按照预设规则重新排列，得到第一光学图案包括：将所述第二图案划分为多个大小相同的格子；将所述第二图案中的所有所述第一斑点颗粒重新分配至所述格子中；按照分配结果调整所述第二图案中的所述第一斑点颗粒的坐标，得到所述第一光学图案。

其中，每个所述格子的长宽等于所述第三图案中相邻所述第二斑点颗粒之间的横纵间距。

其中，所述将所述第二图案中的所有所述第一斑点颗粒重新分配至所述格子中包括：将所述第二图案中的所有所述第一斑点颗粒随机或者按照指定样式重新分配至所述格子。

其中，所述指定样式为圆形或椭圆形。

同时，所述第二图案中的所述第一斑点颗粒的坐标为(X,Y)，所述第三图案中相邻所述第二斑点颗粒之间的横纵间距分别为l和w，所述第二图案的长宽分别为L和W，且m＝L/l，n＝W/w，其中，m和n均为大于1的整数；所述按照分配结果调整所述第二图案中的所述第一斑点颗粒的坐标包括：将所述分配结果中落在第(i,j)个格子中的第一斑点颗粒的坐标调整为(x,y)，其中x＝[(i-1)L+X]/m，y＝[(j-1)W+Y]/n，1≤i≤m，1≤j≤n，i和j为整数。

同时，所述随机移动所述第三图案中的各所述第二斑点颗粒包括：将所述第二斑点颗粒在以原位置为圆心，以第一预定值为半径的圆内随机移动。

其中，所述第一预定值与所述第三图案中的相邻所述第二斑点颗粒之间的横纵间距的比值小于0.3。

同时，所述随机移动所述第一图案中的各所述第一斑点颗粒包括：将所述第一斑点颗粒在以原位置为圆心，以第二预定值为半径的圆内随机移动。

其中，所述第二预定值与所述第一图案中的相邻所述第一斑点颗粒之间的横纵间距的比值小于0.3。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种面阵投影装置，包括：面阵光源，包括多个发光元件，用于发射激光；衍射光学元件，用于接收所述面阵光源发射的激光并将其转换为图案化的激光；其中，所述多个发光元件的排布为使用如权利要求1-11中任一项所述的方法设计得到的第一光学图案，单束光经过所述衍射光学元件扩束后形成第二光学图案，所述衍射光学元件转换后的激光图案为复合光学图案。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种深度相机，包括：如权利要求12所述的面阵投影装置，用于向目标空间投射光学图案；图像采集器，用于采集由所述面阵投影装置向所述目标空间投射的所述光学图案；处理器，用于根据由所述图像采集器采集的所述光学图案计算出对应的深度值。

其中，所述处理器具体用于利用图像匹配算法计算出所述光学图案与预设的参考图案的各像素偏离值，并根据所述偏离值进一步计算出所述深度值。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明通过随机移动第一图案中的第一斑点颗粒并对其进行重新排列，得到第一光学图案，进而在与第二光学图案复合后得到复合图案，取代了现有技术中仅由第二光学图案决定复合光学图案结构的情形，具有较强的均匀性与不相关性。

附图说明

图1是本发明光学图案的设计方法第一实施例的流程示意图；

图2是本发明光学图案的设计方法中第一图案示意图；

图3是本发明光学图案的设计方法中第二图案示意图；

图4是本发明光学图案的设计方法中第一光学图案示意图；

图5是本发明光学图案的设计方法由第二图案生成第一光学图案流程示意图；

图6是本发明光学图案的设计方法中第二光学图案生成流程示意图；

图7是本发明光学图案的设计方法中第三图案示意图；

图8是本发明光学图案的设计方法第二光学图案示意图；

图9是本发明光学图案的设计方法第一光学图案与第四图案对比示意图；

图10是本发明光学图案的设计方法复合光学图案示意图；

图11是本发明面阵投影装置一实施例结构示意图；

图12是本发明深度相机一实施例结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图9，本发明光学图案的设计方法第一实施例包括：

S110，生成规则的第一图案11，第一图案11中包括多个按照固定横纵间距排列的第一斑点颗粒；

第一图案11由多个第一斑点颗粒组成，且每个第一斑点颗粒按均匀的行列进行排列，相邻的第一斑点颗粒横向的间距彼此相同，同时相邻的第一斑点颗粒纵向的间距也均彼此相同。

S120，随机移动第一图案11中的各第一斑点颗粒，得到第二图案12；

随机移动第一图案11中的各第一斑点颗粒具体可以是将第一斑点颗粒在以原位置为圆心，以第二预定值为半径的圆内随机移动。其中，第二预定值是用户预先设定的第一斑点颗粒随机移动范围的半径，与第一图案11中的相邻第一斑点颗粒之间的横纵间距的比值小于0.3，优选为0.05～0.3。容易理解地，当圆的半径远小于相邻第一散斑颗粒间距时，所得到的第二图案12不规则，即其中的相邻第一斑点颗粒之间的横纵间距不相同，但整体而言，第一斑点颗粒的排列仍然相对均匀。

S130，将第二图案12中的第一斑点颗粒按照预设规则重新排列，得到第一光学图案13。

预设规则是指用户预先设定的调整方法，可以是按照一定的形状、样式或者是根据第一斑点颗粒的原始坐标并利用某一算法、函数或者某一公式将第一斑点颗粒重新定位。

在一个应用场景中，请参阅图5，将第二图案12中的第一斑点颗粒按照预设规则重新排列，得到第一光学图案13具体包括：

S131，将第二图案12划分为多个大小相同的格子；

其中，每个格子排列规则有序。

S132，将第二图案12中的所有第一斑点颗粒重新分配至格子中；

第二图案12划分为多个格子后，该格子的数量与第一斑点颗粒的数量呈一对一或者一对多的关系。

重新分配第二图案12中的第一斑点颗粒是指将第二图案12中的所有第一斑点颗粒随机或者按照指定样式重新分配至格子，例如可以将第一斑点颗粒随机均分为与格子数量相同的份数，然后再以一定的方式将每份上述斑点颗粒放入每一个指定的格子当中。当然在其它应用场景中，每个格子中的第一斑点颗粒的数量可以不相同，同时放入的格子也可以是随机的，不一定是指定的格子。其中，将每份上述颗粒放入格子中也可以按照指定样式分配，例如重新排列完成后各第一斑点颗粒呈圆形、椭圆形分布，或者其它指定样式，例如矩形、六边形等。

S133，按照分配结果调整第二图案12中的第一斑点颗粒的坐标，得到第一光学图案13。

分配结果是为每一个第一斑点颗粒建立了与格子之间的对应关系，但是第二图案12中的第一斑点颗粒不一定落入其对应的格子中，因此需要按照分配结果调整第二图案12中的第一斑点颗粒的坐标，即将上述斑点颗粒进行重新定位，以保证第二图案12中的所有第一斑点颗粒都位于其对应的格子中。可选的，为保证重新定位之后同一个格子内的第一斑点颗粒分布与第二图案12中的相同，采用定向缩放的方式调整坐标，即将分配给某个格子的若干个第一斑点颗粒等比缩放之后移入对应的格子中。

其中，第一光学图案13为光源排列图案，并用于与第二光学图案21复合后形成复合光学图案23。即光源按照第一光学图案13的样式进行排列。其中，第二光学图案21为单束光经过衍射光学元件扩束形成的图案，具体可以是具有一定样式的、固定横纵间距的规则排列的图案，也可以是无任何规则排列的图案。第一光学图案13用于与第二光学图案21复合后形成复合光学图案23，即指将光源按照第一光学图案13的样式进行排列，然后通过由单束光经过衍射光学元件扩束形成第二图案12所使用的衍射光学元件，形成第一光学图案13与第二光学图案21的复合光学图案23。

请参阅图6至图9，本发明光学图案的设计方法进一步包括：

S210，生成规则的第三图案21，第三图案21中包括多个按照固定横纵间距排列的第二斑点颗粒；

第三图案21的生成方式与上述第一图案11的生成方式基本相同，但是第三图案21中第二斑点颗粒的数量与第一图案11中的第一斑点颗粒的数量以及相邻斑点颗粒的间距可以相同也可以不同。

S220，随机移动第三图案21中的各第二斑点颗粒，得到第二光学图案22。

随机移动第三图案21中的各第二斑点颗粒与上述随机移动第一图案11中的各第一斑点颗粒方法相同，此处不再赘述。最终同样生成无规律但密度均匀的第二光学图案。

在一个应用场景中，第二图案12中的第一斑点颗粒的坐标为(X,Y)，第三图案21中相邻第二斑点颗粒之间的横纵间距分别为l和w，第二图案12的长宽分别为L和W，且m＝L/l，n＝W/w，其中，m和n均为大于1的整数，在此情况下，第二图案12中第一斑点颗粒的个数优选为m*n的整数倍。此处设为m＝2，n＝2将第二图案划分为2*2即4个大小相同的格子，并将第二图案12中的第一斑点颗粒按照椭圆样式分配至4个大小相同的格子中，然后将分配结果中落在第(i,j)个格子中的第一斑点颗粒的坐标调整为(x,y)，其中x＝[(i-1)L+X]/m，y＝[(j-1)W+Y]/n，1≤i≤m，1≤j≤n，i和j为整数，当m＝2，n＝2时，x＝[(i-1)L+X]/2，y＝[(j-1)W+Y]/2，1≤i≤2，1≤j≤2，i和j为整数，以此对第一斑点颗粒进行重新定位，得到第一光学图案13。通过此种方式的重新定位，能够发现当格子数量为4时，将第一光学图案13分为四个象限，而四个象限的斑点颗粒图案重叠在一起得到的图案与第二光学图案12的横纵向均缩放至原来的后得到的第四图案31一致，具体如图9所示。通过对第一光学图案13和第二光学图案22的设计，所得到的复合光学图案23具有较强的不相关性，且均匀分布。其中，复合光学图案23的不相关性是指复合光学图案23中任意一个指定大小的子区中的图案与指定方向上的其他任意一个同样大小的子区中的图案均不相同。如图9，在复合光学图案23中任选的三个子区域231、232、233，能够明显看出三个子区域中斑点颗粒的图案均不相同，由此得到通过上述方法能够得出具有较强不相关性的复合光学图案。

理论上来说，复合光学图案23中的散斑颗粒数量应该为第一光学图案13中的第一散斑颗粒数量与第二光学图案22中的第二散斑颗粒的数量的乘积，但是容易理解地，在实际操作中难免会出现一些斑点颗粒的重叠现象，然而若斑点颗粒重叠过多则会影响到复合光学图案的不相关性与均匀性，因此，一般需要控制重叠斑点的数量，在本实施例中，要求复合光学图案23上斑点数量应大于第一光学图案13与第二光学图案22斑点数量之积的90％。

请参阅图11，本发明面阵投影装置40一实施例包括：面阵光源41和衍射光学元件42。

面阵光源41包括多个发光元件411，用于发射激光。在半导体底板上配置多个发光元件411即组成面阵光源41。图中发光元件411的数量和排布仅为示意，实际发光元件411的数量、排布和发出激光的传播方向可根据结构光的图案、出射角等设计需要而定。其中，发光元件411为激光二极管，优选为垂直腔面激光二极管，相比于其他激光器而言，其具有体积小、光源发散角小等特点。

衍射光学元件42用于接收面阵光源41发射的激光并将其转换为图案化的激光。其中，衍射光学元件42是利用衍射光学技术制作的光学元件，主要用来进行光波整形、光学互连以及多波长分波传输和分离聚焦等。面阵光源41发出的光入射到衍射光学元件42上，根据其特性，面阵光源41上每束光被扩束后以相同的图案向外发射多束光，由于面阵光源41上有多个光学元件，因而最终投向目标空间中的图案是各个光源被扩束后形成的多个图案的复合图案。

由于激光出射往往具有一定的发散角，在一些应用场景中，面阵投影装置也包括准直光学元件43，设置于面阵光源41与衍射光学元件42之间，用来准直由面阵光源41发射的激光，压缩发散角而使其能量更集中。另外，准直光学元件43与衍射光学元件42也可以是同一个元件，比如在一块衍射光学元件42上，朝向面阵光源41一面具有准直或聚焦功能，而另一面具有扩束功能，以此能够缩小面阵投影装置的体积，使得整个投影装置更加轻便。

其中，多个发光元件411根据以上实施例中任一实施例设计得到的第一光学图案进行排布，衍射光学元件42采用单束光经其扩束后能够形成第二光学图案所对应的衍射光学元件42。容易理解地，采用上述面阵光源41经上述衍射光学元件42扩束后的激光图案为复合光学图案，分布均匀且具有较强的不相关性。

请参阅图12，本发明深度相机50一实施例包括：面阵投影装置51、图像采集器53以及处理器52。其中，面阵投影装置51和图像采集器53均与处理器52连接。

面阵投影装置51用于向目标空间投射光学图案；其中面阵投影装置51可以是上述面阵投影装置实施例中的任意一种。

图像采集器53，用于采集由面阵投影装置51向目标空间投射的光学图案；通常图像采集器53可以是图像传感器，图像扫描仪，摄像头等。目标空间是指所要测量深度值的对象。

处理器52，用于根据由图像采集器53采集的光学图案计算出对应的深度值。具体用于利用图像匹配算法计算出光学图案与预设的参考图案的各像素偏离值，并根据偏离值进一步计算出深度值。

其中图像匹配算法具体可以是数字图像相关法，该方法是应用于计算机视觉技术的一种图像测量方法，是一种非接触的、用于全场形状、变形、运动测量的方法。当然，在其它应用场景中，也可以采用surf算法，sift算法以及opencv算法等区别于数字图像相关法的图像匹配算法。

光学图案即以上实施例中所指的复合光学图案。预设的参考图案是指预先设定在系统当中的具有确定深度值的复合光学图案。然后通过图像采集器53获取的光学图案的像素值与预设的参考图案的像素偏离值进行对比，可以根据一定的函数或者公式等计算出所采集的光学图案对应的深度值。

在一个应用场景中，图像采集器53采集到由面阵投影装置51向某一目标空间投射的光学图案，然后处理器52根据此光学图案以及预设的深度值为s的参考图案，利用数字图像相关法极端出所采集的光学图案与预设的参考图案的像素偏离值，然后根据某一具体公式计算出目标空间的深度值。通过采用上述的面阵投影装置51，能够较为精确得计算出目标空间的深度值。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光学图案的设计方法，其特征在于，包括：

生成规则的第一图案，所述第一图案中包括多个按照固定横纵间距排列的第一斑点颗粒；

随机移动所述第一图案中的各所述第一斑点颗粒，得到第二图案；

将所述第二图案中的所述第一斑点颗粒按照预设规则重新排列，得到第一光学图案，其中，所述第一光学图案为光源排列图案，用于与第二光学图案复合后形成复合光学图案，所述第二光学图案为单束光经过衍射光学元件扩束形成的图案。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：

生成规则的第三图案，所述第三图案中包括多个按照固定横纵间距排列的第二斑点颗粒；

随机移动所述第三图案中的各所述第二斑点颗粒，得到所述第二光学图案。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

将所述第二图案中的所述第一斑点颗粒按照预设规则重新排列，得到第一光学图案包括：

将所述第二图案划分为多个大小相同的格子；

将所述第二图案中的所有所述第一斑点颗粒重新分配至所述格子中；

按照分配结果调整所述第二图案中的所述第一斑点颗粒的坐标，得到所述第一光学图案。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

每个所述格子的长宽等于所述第三图案中相邻所述第二斑点颗粒之间的横纵间距。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述将所述第二图案中的所有所述第一斑点颗粒重新分配至所述格子中包括：

将所述第二图案中的所有所述第一斑点颗粒随机或者按照指定样式重新分配至所述格子。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述指定样式为圆形或椭圆形。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述第二图案中的所述第一斑点颗粒的坐标为(X,Y)，所述第三图案中相邻所述第二斑点颗粒之间的横纵间距分别为l和w，所述第二图案的长宽分别为L和W，且m＝L/l，n＝W/w，其中，m和n均为大于1的整数；

所述按照分配结果调整所述第二图案中的所述第一斑点颗粒的坐标包括：

将所述分配结果中落在第(i,j)个格子中的第一斑点颗粒的坐标调整为(x,y)，其中x＝[(i-1)L+X]/m，y＝[(j-1)W+Y]/n，1≤i≤m，1≤j≤n，i和j为整数。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述随机移动所述第一/三图案中的各所述第一/二斑点颗粒包括：

将所述第一/二斑点颗粒在以原位置为圆心，以第一/二预定值为半径的圆内随机移动。

9.一种面阵投影装置，其特征在于，包括：

面阵光源，包括多个发光元件，用于发射激光；

衍射光学元件，用于接收所述面阵光源发射的激光并将其转换为图案化的激光；

其中，所述多个发光元件的排布为使用如权利要求1-8中任一项所述的方法设计得到的第一光学图案，单束光经过所述衍射光学元件扩束后形成第二光学图案，所述衍射光学元件转换后的激光图案为复合光学图案；

其中，所述随机移动所述第一图案中的各所述第一斑点颗粒包括：

将所述第一斑点颗粒在以原位置为圆心，以第二预定值为半径的圆内随机移动。

10.一种深度相机，其特征在于，包括：

如权利要求9所述的面阵投影装置，用于向目标空间投射光学图案；

图像采集器，用于采集由所述面阵投影装置向所述目标空间投射的所述光学图案；

处理器，用于根据由所述图像采集器采集的所述光学图案计算出对应的深度值。