CN106597469A - 主动成像的激光摄像头及其成像方法 - Google Patents

主动成像的激光摄像头及其成像方法 Download PDF

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Abstract

一种主动成像的激光摄像头及其成像方法，包括激光发生器、光感器和控制芯片，所述激光发生器、光感器与控制芯片连接，成像方法包括一、采集物体相对于摄像头焦点的三维球面坐标二、图像转换。其优点是在同一场景只需在一个位置拍摄一幅图像，即可获取空间点的三维信息。对光照及物体形态的先验认识无依赖性，不会因三维成像视角的不同和物体的遮挡丢失信息，对其恢复的精确性高。

Description

主动成像的激光摄像头及其成像方法
技术领域
本发明涉及摄影的特殊设备，涉及相机和电子闪光设备的联合，尤指一种主动成像的激光摄像头及其成像方法。
背景技术
传统的三维成像可称为被动式三维成像，是仿照人类利用双目线索感知距离的方法，需要在同一场景的不同位置拍摄两幅或两幅以上的图像，通过计算空间点在两幅图像的视差，获取空间点的三维信息。由于被动三维成像对光照及物体形态的先验认识有极大的依赖性，使其在某些场合有极大的局限性。而且被动式三维成像还会因为视角的不同和物体的遮挡丢失信息，对其恢复的精确性产生不良影响。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种主动成像的激光摄像头及其成像方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种主动成像的激光摄像头及其成像方法，其特征在于：包括激光发生器、光感器和控制芯片，所述激光发生器、光感器与控制芯片连接，其中：
激光发生器，用于产生N×N束平面阵列激光；
光感器，将接受的激光发生器的N×N束平面阵列激光转换成电信号并滤除背景光、实现信号放大和电路光路隔离、检测并过滤特定频率的光波；
控制芯片，用于控制激光发生器每个发光单元启停，计算和记录光感器感光时间，并将激光信号转换成图像信号。
进一步地：
所述激光发生器可以包括纳米激光发射阵列、准直系统和光纤，所述纳米激光阵列发出初级激光束，通过光纤到达由微透镜阵列构成的准直系统，准直系统将初级激光束变换成准激光束。
所述准直系统可以包括有镜头，将每束平面光水平、垂直偏过一定角度变成N×N束球面光阵列。
所述激光发生器可以包括激光振荡器、光开关和准直系统，激光振荡器发出初级激光为总球面光，光开关球面阵列受控制芯片控制，实现对球面上任一束子光通断控制。
本发明还可以包括有汇光透镜，安装于感光器前端，将远处物体漫反射的激光光汇聚成一光斑。
所述光感器可以包括依序连接的过滤片、光二极管、放大器和若干个带通滤波器，过滤片用于滤除背景光；光二极管用于实现光电转换；放大器用实现信号放大和电路光路隔离；带通滤波器用于检测并过滤特定频率的光波。
本发明主动成像的激光摄像成像方法包括如下步骤：
一、采集物体相对于摄像头焦点的三维球面坐标(θ，r）
①向激光发生器发出(i，j)工作指令，1≤i，j≤N；
②激光发生器第(i，j)单元发出束激光，经准直系统后发生水平、垂直偏转向量激光(αi，αj)；
③向量激光(αi，αj)经光感器，小部分光被光感器吸取并向控制芯片发送计时信号，控制芯片记录起始时间t1ij；
④大部分向量激光(αi，αj)发射出去，遇物体上一点A发生漫反射后再次经光感器，光感器吸取并向控制芯片发送计时信号，控制芯片记录结束时间
t2ij(或者经固定时间后ΔT仍未有计时信号，令t2ij＝∞)；
⑤控制芯片将第(i，j)点位置信息(αi，αj，rij)写入，启动下一(i，j)工作指令，直至所有单元工作指令完成，计算物体上一点的距离为c为光束、R为激光焦点O离光感器距离，i、j＝N时工作结束。
上述过程可以有单点工作和多点工作两种方式，所述单点工作方式为同一时刻，只有一束光在工作；所述多点工作方式：同一时刻，有多束光在工作；每束光的光频率或调制光频率不同，可以被光感器区分；一条指令采集多个像素的三维球面坐标；
二、图像转换
将激光摄像头采集的摄像头系数据坐标，转换成地球坐标系坐标，同时实现坐标与颜色合并；
摄像头坐标系：摄像头焦点为原点，光不发生任何偏转的轴为X轴，与X轴垂直向上的轴为Z轴，垂直纸面向外的轴为Y轴；
地球坐标系：包括坐标和方向。原点点坐标为某点经度、纬度、高程，北极磁场方向为X轴，重力反方向为Z轴，水平向左为Y轴；
具体步骤
①读取数据：
从激光摄像头读取成像位置向量(αi，αj，rij)；1≤i，j≤N
从普通摄像头读取成像颜色信息(rgbi，rgbj)及相对于激光摄像头位置向量(x′，y′，z′)；1≤i，j≤M，M为普通摄像头像素；
从位置感知器(GPS)读取激光摄像头相对于地球参考点的位置向量(x，y，z)；
从方向感知器(陀螺仪)读取激光摄像头方向相对于地球参考点方向偏转向量(βx，βy，βz)；
②颜色变换：将位置向量与颜色数据合并P(αi，αj，rij，rgbij)
(1)转成
(2)从普通平面颜色像中(rgbi，rgbj)提取对应的颜色值rgbij
(3)将合并后向量位置颜色向量(θ‘，r‘，rgbij)转成摄像头坐标系坐标(αi，αj，rij，rgbij)；
③方向变换：将摄像头坐标方向变成与地球坐标系方向同向
图像进行旋转，绕激光摄像头在x、y、z轴旋转βx，βy，βz或者说图像不动，坐标轴转点反向旋转βx，βy，βz变成P(αi′，αj′，rij，rgbij)
④原点变换：激光摄像头坐标原点变成与地球坐标系原点
图像进行平移，
⑤写入文件：将变换后的位置颜色和参考点存储
A：经度W、纬度S、高程H
P：x11，y11，z11，rgb11
……
xij，yij，zij，rgbij
……
xNN，yNN，zNN，rgbNN。
当包括有汇光透镜时，计算物体上一点的距离修正为Δtij为校正时间(控制芯片3发指令后与相对多走路程对应时间，与仪器安装有关的固定小常数，距离较远时可取0)。
本发明的有益效果是：在同一场景只需在一个位置拍摄一幅图像，即可获取空间点的三维信息。对光照及物体形态的先验认识无依赖性，不会因三维成像视角的不同和物体的遮挡丢失信息，对其恢复的精确性高。
制造成本低：感光部分可设计成只有一个光二极管+1个或多个带通滤波器，相比于APD光感器阵列，电路比光路工艺更成熟、规模更易做大、技术上更有优势。
使用方便：成像范围大镜头实现由平面阵列光向球面阵列光转化，使成像具有类似人眼视角的特点(近处清晰、远处广阔)；1激光发生器和3光感器的设计可以让拍摄角度无限制。
结果价值大：拍摄的照片直接转换成地球坐标，各照片图像之间空间位置明确可直接拼接并上传于地球数据中(GOOGLE EARTH)，无需借助复杂软件或先验知识进行处理。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1是本发明的第一实施例结构原理示意图。
图2是本发明的光感器2结构示意图。
图3是本发明的第二实施例结构原理示意图。
图4是本发明的第三实施例结构原理示意图。
图5是本发明的第四实施例结构原理示意图。
图6是激光摄像头的各种实现方式汇总图表。
图7是摄像头坐标系示意图。
图8是地球坐标系示意图。
图9是将转成示意图。
具体实施方式
参见附图1，本发明一种主动成像的激光摄像头及其成像方法第一实施例，其特征在于：包括激光发生器1、光感器2和控制芯片3，所述激光发生器1、光感器2与控制芯片3连接，其中：
激光发生器1，用于产生N×N束平面阵列激光；
光感器2，将接受的激光发生器1的N×N束平面阵列激光转换成电信号并滤除背景光、实现信号放大和电路光路隔离、检测并过滤特定频率的光波；
控制芯片3，用于控制激光发生器1每个发光单元启停，计算和记录光感器感光时间，并将激光信号转换成图像信号。
参见图1，在本发明的第一实施例中：所述激光发生器1包括纳米激光发射阵列1.1、准直系统1.2和光纤1.3，所述纳米激光阵列1.1发出初级激光束，通过光纤1.3到达由微透镜阵列构成的准直系统1.2，准直系统1.2将初级激光束变换成准激光束。
参见图3，在本发明的第二实施例中，所述准直系统1.2包括有镜头1.2.1，将每束平面光水平、垂直偏过一定角度变成N×N束球面光阵列。
参见图4，在本发明的第三实施例中，所述激光发生器1包括激光振荡器1.4、光开关1.3和准直系统1.2，激光振荡器1.4发出初级激光为总球面光，光开关1.3球面阵列受控制芯片3控制，实现对球面上任一束子光通断控制。
参见图5，在本发明的第四实施例中，包括有汇光透镜4，安装于感光器2前端，将远处物体漫反射的激光光汇聚成一光斑。
所述光感器2包括依序连接的过滤片2.1、光二极管2.2、放大器2.3和若干个带通滤波器2.4，过滤片2.1用于滤除背景光；光二极管2.2用于实现光电转换；放大器2.3用实现信号放大和电路光路隔离；带通滤波器2.4用于检测并过滤特定频率的光波。
本发明工作过程包括如下步骤：
二、采集物体A相对于摄像头焦点O的三维球面坐标(θ，r)
⑥控制芯片3向激光发生器1发出(i，j)工作指令，1≤i，j≤N；
⑦激光发生器1第(i，j)单元发出束激光，经准直系统1.2后发生水平、垂直偏转向量激光(αi，αj)；
⑧向量激光(αi，αj)经光感器2，小部分光被光感器2吸取并向控制芯片3发送计时信号，控制芯片3记录起始时间t1ij；
⑨大部分向量激光(αi，αj)发射出去，遇物体上一点A发生漫反射后再次经光感器2，光感器2吸取并向控制芯片3发送计时信号，控制芯片3记录结束时间
t2ij(或者经固定时间后ΔT仍未有计时信号，令t2ij＝∞)；
⑩控制芯片3将第(i，j)点位置信息(αi，αj，rij)写入，启动下一(i，j)工作指令，直至所有单元工作指令完成，计算物体上一点A的距离为c为光束、R为激光焦点O离光感器距离，i、j＝N时工作结束。
上述过程可以有单点工作和多点工作两种方式，所述多点工作方式：同一时刻，有多束光在工作；每束光的光频率或调制光频率不同，可以被光感器区分；一条指令采集多个像素的三维球面坐标。
二、图像转换
将激光摄像头采集的摄像头系数据坐标，转换成地球坐标系坐标，同时实现坐标与颜色合并；
摄像头坐标系：如图7所示摄像头焦点O为原点，光不发生任何偏转的轴为X轴，与X轴垂直向上的轴为Z轴，垂直纸面向外的轴为Y轴；
地球坐标系：如图8所示A点为参考点的地球坐标系，包括坐标和方向。原点点坐标为A点经度、纬度、高程，北极磁场方向为X轴，重力反方向为Z轴，水平向左为Y轴；
具体步骤
①读取数据：
从激光摄像头O读取成像P位置向量(αi，αj，rij)；1≤i，j≤N
从普通摄像图O’读取成像P颜色信息(rgbi，rgbj)及O′相对于激光头O位置向量(x′，y′，z′)；1≤i，j≤M，M为普通摄像头像素；
从位置感知器(GPS)读取激光摄像头原点O相对于地球参考点A的位置向量(x，y，z)；
从方向感知器(陀螺仪)读取激光摄像头O方向相对于地球参考点A方向偏转向量(βx，βy，βz)；
②颜色变换：将位置向量与颜色数据合并P(αi，αj，rij，rgbij)
(3)转成
(4)从普通平面颜色像中(rgbi，rgbj)提取对应的颜色值rgbij
注：图像A’水平、垂直视角为α′，水平、垂直像素为M
(3)将合并后向量位置颜色向量(θ‘，r‘，rgbij)转成摄像头坐标系坐标(αi，αj，rij，rgbij)
③方向变换：将摄像头坐标方向变成与地球坐标系方向同向
图像P进行旋转，绕O在x、y、z轴旋转βx，βy，βz或者说图像不动，坐标轴转点O反向旋转βx，βy，βz变成P(αi′，αj′，rij，rgbij)
④原点变换：激光摄像头坐标原点变成与地球坐标系原点
图像P进行平移，
⑤写入文件：将变换后的位置颜色和参考点存储
A：经度W、纬度S、高程H
P：x11，y11，z11，rgb11
……
xij，yij，zij，rgbij
……
xNN，yNN，zNN，rgbNN。
当包括有汇光透镜4时，计算物体上一点的距离修正为Δtij为校正时间。

Claims (9)

1.一种主动成像的激光摄像头，其特征在于：包括激光发生器、光感器和控制芯片，所述激光发生器、光感器与控制芯片连接，其中：
激光发生器，用于产生N×N束平面阵列激光；
光感器，将接受的激光发生器的N×N束平面阵列激光转换成电信号并滤除背景光、实现信号放大和电路光路隔离、检测并过滤特定频率的光波；
控制芯片，用于控制激光发生器每个发光单元启停，计算和记录光感器感光时间，并将激光信号转换成图像信号。
2.根据权利要求1所述的主动成像的激光摄像头，其特征在于：所述激光发生器包括纳米激光发射阵列、准直系统和光纤，所述纳米激光阵列发出初级激光束，通过光纤到达由微透镜阵列构成的准直系统，准直系统将初级激光束变换成准激光束。
3.根据权利要求2所述的主动成像的激光摄像头，其特征在于：所述准直系统包括有镜头，将每束平面光水平、垂直偏过一定角度变成N×N束球面光阵列。
4.根据权利要求1所述的主动成像的激光摄像头，其特征在于：所述激光发生器包括激光振荡器、光开关和准直系统，激光振荡器发出初级激光为总球面光，光开关球面阵列受控制芯片控制，实现对球面上任一束子光通断控制。
5.根据权利要求1所述的主动成像的激光摄像头，其特征在于：还包括有汇光透镜，安装于感光器前端，将远处物体漫反射的激光光汇聚成一光斑。
6.根据权利要求1所述的主动成像的激光摄像头，其特征在于：所述光感器包括依序连接的过滤片、光二极管、放大器和若干个带通滤波器，过滤片用于滤除背景光；光二极管用于实现光电转换；放大器用实现信号放大和电路光路隔离；带通滤波器用于检测并过滤特定频率的光波。
7.一种主动成像的激光摄像成像方法，其特征在于包括如下步骤：
一、采集物体相对于摄像头焦点的三维球面坐标
①向激光发生器发出(i，j)工作指令，1≤i，j≤N；
②激光发生器第(i，j)单元发出束激光，经准直系统后发生水平、垂直偏转向量激光(αi，αj)；
③向量激光(αi，αj)经光感器，光感器向控制芯片发送计时信号，控制芯片记录起始时间t1ij；
④向量激光(αi，αj)发射出去，遇物体上一点发生漫反射后再次经光感器，光感器吸取并向控制芯片发送计时信号，控制芯片记录结束时间t2ij；
控制芯片将第(i，j)点位置信息(αi，αj，rij)写入，启动下一(i，j)工作指令，直至所有单元工作指令完成，计算物体上一点的距离为c为光束、R为激光焦点离光感器距离，i、j＝N时工作结束；
二、图像转换
将激光摄像头采集的摄像头系数据坐标，转换成地球坐标系坐标，同时实现坐标与颜色合并:
①读取数据：
从激光摄像头读取成像位置向量(αi，αj，rij)；1≤i，j≤N从普通摄像图读取成像颜色信息(rgbi，rgbj)及相对于激光头位置向量(x′，y′，z′)；1≤i，j≤M，M为普通摄像头像素；
从位置感知器读取激光摄像头原点相对于地球参考点的位置向量(x，y，z)；
从方向感知器读取激光摄像头方向相对于地球参考点方向偏转向量(βx，βy，βz)；
②颜色变换：将位置向量与颜色数据合并为P(αi，αj，rij，rgbij)
(1)转成
(2)从普通平面颜色像中(rgbi，rgbj)提取对应的颜色值rgbij
(3)将合并后向量位置颜色向量转成摄像头坐标系坐标(αi，αj，rij，rgbij)；
③方向变换：将摄像头坐标方向变成与地球坐标系方向同向
图像P进行旋转，绕摄像头焦点在x、y、z轴旋转βx，βy，βz或者说图像不动，坐标轴转点反向旋转βx，βy，βz变成P(αi′，αj′，rij，rgbij)；
④原点变换：激光摄像头坐标原点变成与地球坐标系原点图像P进行平移，
⑤写入文件：将变换后的位置颜色和参考点存储
A：经度W、纬度S、高程H
P：x11，y11，z11，rgb11
……
xij，yij，zij，rgbij
……
xNN，yNN，zNN，rgbNN。
8.根据权利要求7所述的主动成像的激光摄像成像方法，其特征在于：所述上述过程可以有单点工作和多点工作两种方式，所述单点工作方式只有一束光在工作：所述多点工作方式：同一时刻，有多束光在工作；每束光的光频率或调制光频率不同，可以被光感器区分；一条指令采集多个像素的三维球面坐标。
9.根据权利要求7所述的主动成像的激光摄像头及其成像方法，其特征在于：当包括有汇光透镜时，计算物体上一点的距离修正为Δtij为校正时间。
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