CN106896370B - 结构光测距装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结构光测距装置及方法。该装置包括：红外光源，具有预定的工作周期，并且在每个工作周期内具有预定的点亮和关闭时段，红外光源在点亮时段向被测空间投射结构光；图像传感器，以预定的帧周期对所述被测空间内反射的结构光进行成像，点亮时段的长度Ton和关闭时段的长度Toff分别是帧周期的长度Tfr的整数倍；以及连接至所述红外光源和所述图像传感器的处理器，对在同一工作周期内的点亮时段和关闭时段获取的图像帧进行差分处理，并且根据确定经差分处理的图像帧中每一个反射片段相对于所述图像传感器的深度数据。本发明的结构光测距装置通过配合红外光源亮灭进行成像和差分计算，能够以最小代价去除背景光干扰。

Description

结构光测距装置及方法
技术领域
本发明涉及一种测距装置及方法，尤其涉及一种利用结构光来测量目标距离的装置和方法。
背景技术
为了四处行进或者在预备信息不足的地方执行作业，保洁机器人或自移动机器人需要具有自主规划路径，检测障碍物并避免碰撞的能力。为此，测量到障碍物的距离以估算位置是自移动机器人应该具备的基本能力。此外，在例如安保系统的入侵感测系统中，测量到目标物的距离的能力也是必需的。
业已使用了各种方法来进行上述距离测量。在其中，利用主动发射激光结构光并使用图像传感器进行测距的方法非常有效。该方法所需计算量较小并能用于亮度较小的场所(例如，阴暗室内)。但如果在较亮背景下，阳光反射等容易被图像传感器误判为激光点，从而导致距离测量不够准确。
虽然可以使用较高精度的滤波器来滤除背景反射的干扰，或是使用较高精度的放大器来放大目标波段的反射激光，但是这些方法都会增加电路结构的复杂性和成本，不利于测距装置的小型化和低成本控制。
因此，需要一种以最小代价实现干扰性背景去除的结构光测距装置和方法。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题是提供一种以最小代价实现干扰性背景去除的结构光测距装置和方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种结构光测距装置，包括：红外光源，具有预定的工作周期，并且在每个工作周期内具有预定的点亮时段和关闭时段，所述红外光源在所述点亮时段向被测空间投射结构光；图像传感器，所述图像传感器以预定的帧周期对所述被测空间内反射的结构光进行成像，所述点亮时段的长度Ton和所述关闭时段的长度Toff分别是所述帧周期的长度Tfr的整数倍；以及连接至所述红外光源和所述图像传感器的处理器，所述处理器对在同一工作周期内的点亮时段和关闭时段获取的图像帧进行差分处理，并且根据确定经差分处理的图像帧中每一个反射片段相对于所述图像传感器的深度数据。由此，通过将红外光源点亮和关闭时做拍摄的图像帧简单差分，就能够方便地滤除背景光对测距的影响。
采用的图像传感器可以是全局传感器，这样在每个帧周期内，图像传感器的所有像素区域具有相同的曝光期，并在所述曝光期内同步曝光。因此仅需要在一个周期内亮一帧灭一帧，就能够获取具有足够信息的图像帧来进行差分运算。
也可以使用扫描式图像传感器。由于扫描式图像传感器对其像素执行逐行读取操作，红外光源需要亮两帧灭一帧，才能使得图像传感器获取足够信息的图像帧来进行差分运算。
优选地，红外光源投射的结构光可以是线形光，测距装置采用单目配置，处理器则可根据经差分处理的图像帧上的反射片段的纵深距离以及红外光源与单个图像传感器的相对空间位置关系确定每一个所述反射片段的深度数据。
测距装置也可以采用更为复杂的双目配置，这时红外光源投射的可以是线形光，也可以是更为复杂的其他结构纹理。处理器可以根据两个图像传感器之间的预定相对空间位置关系、基于同一反射片段在所述两个反射图像中相对应地形成的片段图像的位置差异，确定每一个反射片段的深度数据。
根据本发明的另一个方面，提供了一种结构光测距方法，包括：使用具有预定工作周期的红外光源在其每个工作周期内的预定点亮时段向被测空间投射结构光，每个工作周期内还包括预定关闭时段；使用图像传感器以预定的帧周期对所述被测空间内反射的结构光进行成像，所述点亮时段的长度Ton和所述关闭时段的长度Toff分别是所述帧周期的长度Tfr的整数倍；以及对在同一工作周期内的点亮时段和关闭时段获取的图像帧进行差分处理，并且根据确定经差分处理的图像帧中每一个反射片段相对于所述图像传感器的深度数据。
优选地，可以使用扫描式图像传感器对其像素逐行依次执行读取操作，每一行像素的相邻两次读取操作之间的时间差为所述帧周期，所述红外光源在每个工作周期内的点亮时段的长度Ton至少等于两个帧周期长度Tfr，以及叠加在同一点亮时段内获取的至少两个图像帧作为与关闭时段获取的图像帧进行差分处理的所述点亮时段获取的图像帧。
本发明的结构光测距装置通过红外光源亮灭与图像帧捕捉的合理配合，由图像帧的简单差分运算实现对干扰背景的精确去除。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1A和1B示出了现有结构光测距装置的测距原理。
图2示出了背景光干扰准确测距的一个例子。
图3示出了本发明一实施例的结构光测距装置的组成示意图。
图4A-4C示出了图像帧差分去除背景干扰的一个例子。
图5示出了红外光源亮灭周期的几个例子。
图6示出了扫描式图像传感器的成像过程。
图7示出了根据本发明一个实施例的结构光测距方法的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在现有技术中，如图1A所示，会利用光源10主动将结构光(例如，线形光)照射到障碍物30上，并且利用诸如相机的传感器获得反射光的图像。由于光源到传感器的相对距离是已知的，于是可以根据三角测量法从图像高度来计算光发射位置与障碍物之间的距离。图1B示出了障碍物反射回的结构光在传感器上成像的图像帧实例。例如，图1A所示的测距装置可以位于扫地机器人内部，图1B是测距装置面对平整的墙面时的成像帧。
由于对障碍物距离的精确判断依赖于测距装置对障碍物所反射结构光的正确成像，因此如图2所示的背景干扰光(例如，阳光透过窗户照在测距装置正成像的墙面上)会严重干扰对结构光的正确成像。
现有技术中通常使用红外激光源进行结构光的投射。为了符合安全标准的要求并且出于功耗等的考虑，所投射的结构光亮度往往较低，因此不容易与强烈的环境光加以区别。虽然可以使用较高精度的滤波器来滤除背景反射的干扰，或是使用较高精度的放大器来放大目标波段的反射激光，但是这些方法都会增加电路结构的复杂性和成本，不利于测距装置的小型化和低成本控制。
有鉴于此，本发明提出了一种新的结构光测距方案，其通过红外光源亮灭与图像帧捕捉的合理配合，由图像帧的简单差分运算实现对干扰背景的精确去除。
图3示出了本发明一实施例的结构光测距装置的组成示意图。如图所示，本发明的结构光测距装置包括红外光源1、图像传感器2和处理器3。
红外光源1用于向被测空间投射结构光，其中，红外光源1所投射的结构光可以是具有随机散斑纹理结构的结构光，也可以是线形光，当然还可以具有其他结构。红外光源1所投射的结构光可以在被测空间内形成具有一定分布的反射图案。
红外光源1具有预定的工作周期，并且在每个工作周期内具有预定的点亮时段和关闭时段，红外光源1在点亮时段向被测空间投射结构光。换句话说，红外光源1被交替地点亮和关闭，点亮的时长Ton和关闭的时长Toff。在不同的工作周期内保持相同，但点亮时长Ton与关闭时长Toff相比可以相同也可以不同。
图像传感器2用于以预定的帧周期对被测空间成像，以形成包含反射的结构光信息的图像，图像传感器以预定的帧周期对被测空间内反射的结构光进行成像。在这其中，点亮时段的长度Ton和关闭时段的长度Toff可以分别是帧周期的长度Tfr的整数倍。
处理器3连接至红外光源1和图像传感器2。处理器3对在同一工作周期内的点亮时段和关闭时段获取的图像帧进行差分处理，并且根据确定经差分处理的图像帧中每一个反射片段相对于所述图像传感器的深度数据。
举例而言，倘若图像传感器2以每秒30帧的速度成像，则一个帧周期是1/30秒，即，约等于33ms。相应地，在红外光源1的每个工作周期内，其点亮时段的长度Ton和关闭时段的长度Toff需要至少分别达到33ms，以获取成像所必须的反射光信息。当然，Ton和Toff也可以是33ms的更大倍数。
这样，以红外光源1投射线形光为例。如图4所示，图像传感器2连续获取光源1点亮时段的带背景反光和反射的线形光的图像帧4A，以及光源1关闭时段的仅带背景反光的图像帧4B，并由处理器3对获取的图像帧4A和4B进行差分处理，由此得到去除背景干扰的图像帧4C。处理器随后可以对得到的图像帧4C上的线段高度进行分析，以正确得出与障碍物相距的距离。另外，显而易见的是，红外光源1在每个工作周期内亮灭的顺序对结果没有影响。例如，红外光源1也可以先关闭再点亮，同样能够经由对图像帧进行差分运算而获取去除了背景干扰的、可用于测距运算的图像帧。
出于运动补偿和提高有效图像帧率的考虑，希望Ton和Toff越小越好。对于所有像素区域均具有相同曝光期的全局式图像传感器(Global Shutter)而言，可以优选Ton＝Toff＝33ms，即，红外光源1的每个工作时长为66ms。对于逐行读取像素信息的扫描式图像传感器(Rolling Shutter)，为了在红外光源1点亮时段获取足够的反射结构光信息，点亮时长Ton至少等于两个帧周期长度Tfr。
图5示出了红外光源亮灭周期的几个例子。在此，同样可以假设图像传感器2以每秒30帧的速度成像，则一个帧周期是1/30秒，即，Tfr约等于33ms。行1对应于红外光源亮一帧灭一帧的情况。在此例中，红外光源在每个工作周期(时长为Tw)内，首先点亮达一帧的时长，在关闭达一帧的时长，并以此循环。因此，Ton＝Toff＝33ms，Tw＝Ton+Toff＝66ms。行2对应于红外光源亮两帧灭两帧的情况。在此例中，红外光源的一个工作周期时长Tw仍然可以认为其等于Ton+Toff＝66ms，但其亮灭的次序逐工作周期不同。行1和行2尤其适用于图像传感器2是全体像素同时成像的全局式传感器的情况。行3对应于红外光源亮两帧灭一帧的情况。在此例中，红外光源在每个工作周期(时长为Tw)内，首先点亮达两帧的时长，在关闭达一帧的时长，并以此循环。因此，Ton＝66ms，Toff＝33ms，Tw＝Ton+Toff＝99ms。行3尤其适用于图像传感器2是逐行读取像素内容的扫描式图像传感器的情况。如下将结合图6详细说明扫描式图像传感器需要红外光源在每个工作周期内点亮两个帧周期以获取足够的反射结构光信息的理由。
图6示出了扫描式图像传感器的成像过程。图像传感器2的像素例如可以在触发信号作用下或以一定的周期，逐行执行读取(和复位)操作，每一行像素的相邻两次读取操作之间的时间差为帧周期(图中t1到t3)，每一行像素在读取操作之后重新开始曝光(t2到t3，t4到t5)，并且经过有效的曝光时间(有效曝光时间对应于图中的t2到t3，略小于帧周期t1到t3)后对该行像素进行数据读取操作(t3到t4)，以此循环。如图6所示，无论红外光源在新的工作周期内开始点亮时图像传感器正读取到哪一行，两个帧周期(t1到t5)的点亮时长都能够保证图像传感器的每一行获取到足够的结构光反射信息。处理器可以将这两个帧周期内获取的两幅图像帧进行叠加，以获取具有足够结构光反射信息的点亮时段图像帧，以便与关闭时段获取的图像帧进行差分处理。
应该明了，图6所示的扫描式图像传感器的工作模式中仅是本发明的一种优选，就本发明而言，扫描式图像传感器还可具有其它工作模式，例如，读取和复位分开的工作模式等等，此处不再赘述。
在一个实施例中，本发明的结构光测距装置还可以包括触发信号发生装置(未在图中示出)。触发信号发生装置可以生成并发送触发信号，扫描式图像传感器响应于触发信号发生装置逐一发送的触发信号，对其像素进行逐行复位操作。
如上所述，相比于全局式图像传感器，使用扫描式图像传感器会使得测距装置的有效帧率下降。例如在30帧每秒的成像速率的情况下，使用全局式传感器最大可以得到15帧每秒的有效帧率，而使用扫描式图像传感器最大则只能得到10帧每秒的有效帧率。但是由于扫描式图像传感器的结构更简单紧凑，造价也更低，性能也更加稳定，因此在多数场合下，尤其是测距装置与被测对象相对运动速度不大和/或运算精度要求不高的情况下，优选使用扫描式传感器进行成像。
如上结合图4描述了红外光源投射的结构光是线形光的情况下。投射线形光尤其适用于对运算精度要求不高但对成本、功耗和体积有着严格限制的情况。因此线形光的投射尤其适于与单目成像设备结合使用。在一个实施例中，本发明的测距设备公开一个红外光图像传感器，并且图像传感器与红外光源具有预定的相对空间位置关系。处理器则可以根据经差分处理的图像帧上投射的线形光所反射的片段的纵深距离以及所述相对空间位置关系确定每一个所述反射片段的深度数据。
红外光源也可以投射更为复杂的结构光，以适应精度要求更高的应用。这时则可以使用双目成像设备进行配合。因此在一个实施例中，图像传感器可以包括两个图像传感器，两个图像传感器之间具有预定相对空间位置关系并分别用于对所述被测空间内反射的结构光成像。处理器可以根据两个图像传感器之间的预定相对空间位置关系、基于同一反射片段在所述两个反射图像中相对应地形成的片段图像的位置差异，确定每一个反射片段的深度数据。
上文中已经参考附图详细描述了根据本发明的结构光测距装置。本发明的结构光测距装置也可以用来执行结构光测距方法。图7示出了根据本发明一个实施例的结构光测距方法的流程图。
在步骤S701，使用具有预定工作周期的红外光源在其每个工作周期内的预定点亮时段向被测空间投射结构光，每个工作周期内还包括预定关闭时段。
在步骤S702，使用图像传感器以预定的帧周期对所述被测空间内反射的结构光进行成像，所述点亮时段的长度Ton和所述关闭时段的长度Toff分别是所述帧周期的长度Tfr的整数倍。
在步骤S703，对在同一工作周期内的点亮时段和关闭时段获取的图像帧进行差分处理，并且根据确定经差分处理的图像帧中每一个反射片段相对于所述图像传感器的深度数据。
对于图像传感器是扫描式图像传感器的情况，在步骤S702，可以使用扫描式图像传感器对其像素逐行依次执行读取操作，每一行像素的相邻两次读取操作之间的时间差为所述帧周期，所述红外光源在每个工作周期内的点亮时段的长度Ton至少等于两个帧周期长度Tfr，。相应地，在步骤S703，可以叠加在同一点亮时段内获取的至少两个图像帧作为与关闭时段获取的图像帧进行差分处理的所述点亮时段获取的图像帧。本发明的测距方法还可以执行如上结合测距装置描述的各类操作，在此不再赘述。
至此已详细描述了本发明的结构光测距装置的基本结构及工作过程，由上述描述可知，本发明的结构光测距装置通过配合红外光源亮灭进行成像和差分计算，能够以最小代价去除背景光干扰。
本发明的红外光源可以具体包括红外光发生器和光学系统。红外光发生器可以产生红外光，光学系统可以将红外光发生器产生的红外光进行处理，将其变成结构光，例如线形光。根据实际需要，光学系统可以有多种结构。当光学系统采用不同的结构时，红外光发生器发出的红外光经过光学系统后，可以变成带有不同纹理的红外光束。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种结构光测距装置，包括：
红外光源，具有预定的工作周期，并且在每个工作周期内具有预定的点亮时段和关闭时段，所述红外光源在所述点亮时段向被测空间投射结构光；
图像传感器，所述图像传感器以预定的帧周期对所述被测空间内反射的结构光进行成像，所述点亮时段的长度Ton和所述关闭时段的长度Toff分别是所述帧周期的长度Tfr的整数倍；以及
连接至所述红外光源和所述图像传感器的处理器，所述处理器对在同一工作周期内的点亮时段和关闭时段获取的图像帧进行差分处理，并且根据确定经差分处理的图像帧中每一个反射片段相对于所述图像传感器的深度数据。
2.根据权利要求1所述的结构光测距装置，其中，
在每个所述帧周期内，所述图像传感器的所有像素区域具有相同的曝光期，并在所述曝光期内同步曝光。
3.根据权利要求2所述的结构光测距装置，其中，
所述点亮时段的长度Ton和所述关闭时段的长度Toff分别与所述帧周期的长度Tfr相同。
4.根据权利要求1所述的结构光测距装置，其中，
所述图像传感器对其像素逐行依次执行读取操作，每一行像素的相邻两次读取操作之间的时间差为所述帧周期，所述红外光源在每个工作周期内的点亮时段的长度Ton至少等于两个帧周期长度Tfr，
所述处理器叠加在同一点亮时段内获取的至少两个图像帧作为与关闭时段获取的图像帧进行差分处理的所述点亮时段获取的图像帧。
5.根据权利要求4所述的结构光测距装置，其中，
所述点亮时段的长度Ton等于两个帧周期长度Tfr，并且所述关闭时段的长度Toff与所述帧周期的长度Tfr相同。
6.根据权利要求4所述的结构光测距装置，还包括：
触发信号发生装置，其中所述图像传感器响应于所述触发信号发生装置逐一发送的触发信号，对其像素进行逐行复位操作。
7.根据权利要求1所述的结构光测距装置，其中，所述红外光源投射的结构光是线形光，所述图像传感器与所述红外光源具有预定的相对空间位置关系并且包括一个红外光图像传感器，
所述处理器根据经差分处理的图像帧上的反射片段的纵深距离以及所述相对空间位置关系确定每一个所述反射片段的深度数据。
8.根据权利要求1所述的结构光测距装置，其中，所述图像传感器包括两个图像传感器，所述两个图像传感器之间具有预定相对空间位置关系，所述两个图像传感器分别用于对所述被测空间内反射的结构光成像，
所述处理器根据所述两个图像传感器之间的预定相对空间位置关系、基于同一反射片段在两个反射图像中相对应地形成的片段图像的位置差异，确定每一个反射片段的深度数据。
9.一种结构光测距方法，包括：
使用具有预定工作周期的红外光源在其每个工作周期内的预定点亮时段向被测空间投射结构光，每个工作周期内还包括预定关闭时段；
使用图像传感器以预定的帧周期对所述被测空间内反射的结构光进行成像，所述点亮时段的长度Ton和所述关闭时段的长度Toff分别是所述帧周期的长度Tfr的整数倍；以及
对在同一工作周期内的点亮时段和关闭时段获取的图像帧进行差分处理，并且根据确定经差分处理的图像帧中每一个反射片段相对于所述图像传感器的深度数据。
10.根据权利要求9所述的结构光测距方法，其中，使用扫描式图像传感器对其像素逐行依次执行读取操作，每一行像素的相邻两次读取操作之间的时间差为所述帧周期，所述红外光源在每个工作周期内的点亮时段的长度Ton至少等于两个帧周期长度Tfr，以及
叠加在同一点亮时段内获取的至少两个图像帧作为与关闭时段获取的图像帧进行差分处理的所述点亮时段获取的图像帧。
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