CN107682689A - 基于结构光的三维扫描系统 - Google Patents

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刘富春
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Abstract

本发明涉及一种基于结构光的三维扫描系统，包括：红外投射器，用于投射红外激光图案至目标物体上；至少一个红外相机，用于拍摄附有红外激光图案的目标物体，并且生成红外图像；深度计算芯片，与所述红外相机电连接，计算并输出由所述红外相机传输的红外图像的深度数据；还包括彩色相机；以及处理器，用于与所述红外投射器、所述红外相机、所述深度计算芯片以及所述彩色相机电连接。根据本发明的基于结构光的三维扫描系统，保证高精度的同时，结构较为灵活，应用范围广，通用性好。

Description

基于结构光的三维扫描系统
技术领域
本发明属于三维感知技术领域，尤其涉及一种用于手机的基于结构光的三维扫描系统。
背景技术
三维感知技术是一种在传统二维图像基础上，增加深度方向距离信息，从而可以测算空间三维信息的技术。三维感知技术在手机上的应用大致可分为阵列摄像头、飞行时间法和结构光。阵列摄像头最具代表的是双摄像头，在不少主流品牌手机上已经是高端机型的标配，但是该技术本身存在算法可靠性低的缺陷，其所带来的用户体验提升有限，并没有带来革命性的技术更新。现有的基于结构光的三维扫描系统通用性差，应用范围小。针对不同的产品，现有的基于结构光的三维扫描系统不能任意匹配或者发挥正常功用。此外，现有的三维扫描系统结构排布形式单一，而且不具备较高的精度。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种基于结构光的三维扫描系统，在保证高精度的同时，结构灵活，具有通用性。
为实现上述目的，本发明提供一种基于结构光的三维扫描系统，包括：
红外投射器，用于投射红外激光图案至目标物体上；
至少一个红外相机，用于拍摄附有红外激光图案的目标物体，并且生成红外图像；
深度计算芯片，与所述红外相机电连接，计算并输出由所述红外相机传输的红外图像的深度数据；
还包括彩色相机；以及
处理器，用于与所述红外投射器、所述红外相机、所述深度计算芯片以及所述彩色相机电连接。
根据本发明的一个方面，所述红外投射器与所述红外相机之间的距离为15mm-30mm。
根据本发明的一个方面，所述红外相机设置为一个，所述彩色相机与所述红外相机紧邻设置。
根据本发明的一个方面，所述彩色相机位于所述红外相机的一侧。
根据本发明的一个方面，所述红外投射器位于所述红外相机的一侧。
根据本发明的一个方面，所述红外相机设置为两个，所述彩色相机与其中一个所述红外相机紧邻设置。
根据本发明的一个方面，所述红外投射器与所述彩色相机位于两个所述红外相机之间。
根据本发明的一个方面，所述红外投射器、所述红外相机、所述深度计算芯片以及所述彩色相机通过同一块线路板与所述处理器电连接。
根据本发明的一个方面，所述红外投射器、所述红外相机以及所述深度计算芯片通过同一块线路板与所述处理器电连接；
所述彩色相机通过其他线路板单独与所述处理器电连接。
根据本发明的一个方面，所述红外投射器、所述红外相机、所述深度计算芯片以及所述彩色相机分别通过不同的线路板与所述处理器电连接。
根据本发明的基于结构光的三维扫描系统，基于结构光的三维扫描系统在用于手机或者用于独立的相机模组时，在保证精度要求的同时，结构布置十分灵活，能够适应各种不同型号的手机，应用范围较为广泛，具有通用性。
根据本发明的基于结构光的三维扫描系统，红外投射器与红外相机之间的距离为15-30mm。在此距离范围内，可有效保证利用上述两种实施方式得出的红外图像深度数据的精确性，同时保证红外投射器和红外相机安装于手机时不会导致手机尺寸过大。
根据本发明的基于结构光的三维扫描系统，彩色相机3与红外相机2紧邻地设置，有利于保证彩色相机和红外相机处于同一视角，在同一角度对目标物体拍摄，有利于减小视差，保证拍摄精度。
根据本发明的红外投射器和红外相均采用CCM(紧凑型摄像头模组)制程技术来制作，使的红外投射器和红外相机的体积较小，有利于嵌入手机时减少手机的空间占用，有利于提高手机的屏占比。此外，利于深度计算芯片来处理计算红外图像的相关深度数据，相比于直接利于手机CPU进行处理，可以分担手机CPU的资源消耗，减少手机出现卡顿和发热的情况，有利于延长使用寿命。
附图说明
图1-图8示意性表示根据本发明的一种实施方式的基于结构光的三维扫描系统应用于手机时的不同实施例的结构布置图；
图9-图10示意性表示根据本发明的另一种实施方式的基于结构光的三维扫描系统应用于手机时的两种实施例的结构布置图；
图11-图12示意性表示根据本发明的基于结构光的三维扫描系统应用于独立的相机模组时的两种实施例的结构布置图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
在本发明中，基于结构光的三维扫描系统包括红外投射器1、红外相机2、深度计算芯片、彩色相机3和处理器。红外投射器1用于向目标物体投射红外激光散斑平面图案，红外相机2用于拍摄附带有红外激光图案的目标物体，并且生成红外图像。深度计算芯片与红外相机2之间为电连接，红外相机2拍摄目标物体生成的红外图像传输至深度计算芯片，由深度计算芯片经过计算处理得出红外图像的深度数据并将红外图像的深度数据输出。处理器与红外投射器1、红外相机2、深度计算芯片和彩色相机3进行电连接。深度计算芯片输出的红外图像深度数据传输至处理器，处理器同时接收彩色相机3拍摄目标物体得到的二维数据信息，结合二维数据信息和深度数据信息得出目标物体的三维数据信息，然后在手机显示屏上呈现出三维图像。
根据本发明的基于结构光的三维扫描系统可以应用于手机、相机等便携式电子产品上，以下以应用于手机和相机模组为例进行说明，但并局限于应用于手机和/或相机。
根据本发明的基于结构光的三维扫描系统用于手机，在第一种实施方式中，基于结构光的三维扫描系统嵌入手机时，彩色相机3与红外相机2紧邻地设置，彩色相机3可设置在红外相机2的任意一侧。在本发明中，彩色相机3与红外相机2的距离越近越好，这样有利于保证彩色相机和红外相机处于同一视角，在同一角度对目标物体拍摄，有利于减小视差，保证拍摄精度。此外，红外投射器1与红外相机2的距离为15-30mm。在此距离范围内，可有效保证红外图像深度数据的精确性，同时保证红外投射器和红外相机安装于手机时不会导致手机尺寸过大。
根据本发明的上述实施方式应用于手机时，可提出以下多个实施例：
图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的基于结构光的三维扫描系统用于手机的结构布置图。如图1所示，基于本发明的上述技术方案的实施例1：手机屏幕6嵌入在手机外壳5中，听筒4设置在位于手机屏幕6上方的手机外壳5的中间位置。红外投射器1与红外相机2分别位于听筒4的两侧，红外投射器1设置在听筒4的左侧，红外相机2设置在听筒4的右侧。红外投射器1与红外相机2的距离为15-30mm。彩色相机3设置在红外相机2的右侧，与红外相机2紧邻地设置。
如图2所示，基于本发明的上述技术方案的实施例2：手机屏幕6嵌入在手机外壳5中，听筒4设置在位于手机屏幕6上方的手机外壳5的中间位置。红外投射器1与红外相机2分别位于听筒4的两侧，红外投射器1设置在听筒4的右侧，红外相机2设置在听筒4的左侧，红外投射器1与红外相机2之间的距离为15-30mm。彩色相机3设置在红外相机2的左侧，与红外相机2紧邻地设置。
如图3所示，基于本发明的上述技术方案的实施例3：手机屏幕6嵌入在手机外壳5中，听筒4设置在位于手机屏幕6上方的手机外壳5的中间位置。红外投射器1与红外相机2分别位于听筒4的两侧，红外投射器1设置在听筒4的左侧，红外相机2设置在听筒4的右侧，红外投射器1与红外相机2之间的距离为15-30mm。彩色相机3设置在听筒4于红外相机2之间，并与红外相机2紧邻地设置。
如图4所示，基于本发明的上述技术方案的实施例4：手机屏幕6嵌入在手机外壳5中，听筒4设置在位于手机屏幕6上方的手机外壳5的中间位置。红外投射器1与红外相机2分别位于听筒4的两侧，红外投射器1设置在听筒4的右侧，红外相机2设置在听筒4的左侧，红外投射器1与红外相机2之间的距离为15-30mm。彩色相机3位于红外相机2与听筒4之间，并与红外相机2紧邻地设置。
如图5所示，基于本发明的上述技术方案的实施例5：手机屏幕6嵌入在手机外壳5中，听筒4设置在位于手机屏幕6上方的手机外壳5的中间位置。红外投射器1、红外相机2和彩色相机3均设置在听筒4的左侧，红外相机2靠近听筒4设置，红外投射器1远离听筒4设置，红外投射器1与红外相机2之间的距离为15-30mm。彩色相机3位于红外投射器1与红外相机2之间，并与红外相机2紧邻地设置。
如图6所示，基于本发明的上述技术方案的实施例6：手机屏幕6嵌入在手机外壳5中，听筒4设置在位于手机屏幕6上方的手机外壳5的中间位置。红外投射器1、红外相机2和彩色相机3均设置在听筒4的左侧，红外投射器1靠近听筒4设置，红外相机2远离听筒4设置，红外投射器1与红外相机2之间的距离为15-30mm。彩色相机3位于红外投射器1与红外相机2之间，并紧邻红外相机2地设置。
如图7所示，基于本发明的上述技术方案的实施例7：手机屏幕6嵌入在手机外壳5中，听筒4设置在位于手机屏幕6上方的手机外壳5的中间位置。红外投射器1、红外相机2和彩色相机3均设置在听筒4的右侧，红外投射器1靠近听筒4设置，红外相机2远离听筒4设置。彩色相机3位于红外投射器1与红外相机2之间，并紧邻红外相机2地设置。
如图8所示，基于本发明的上述技术方案的实施例8：手机屏幕6嵌入在手机外壳5中，听筒4设置在位于手机屏幕6上方的手机外壳5的中间位置。红外投射器1、红外相机2和彩色相机3均设置在听筒4的右侧，红外相机2靠近听筒4设置，红外投射器1远离听筒4设置，彩色相机2位于红外投射器1与红外相机2之间，并紧邻红外相机2地设置。
当然，根据本发明的上述技术方案，也可有其他的实施例，比如，当红外投射器1、红外相机2和彩色相机3均设置在听筒4左侧时，在保证红外投射器1与红外相机2之间的距离，以及彩色相机3紧邻红外相机2设置的情况下，也可沿着远离听筒4的方向，依次设置红外投射器1、红外相机2和彩色相机3或者依次设置彩色相机3、红外相机2和红外投射器1。当红外投射器1、红外相机2和彩色相机3均设置在听筒4右侧时，在保证红外投射器1与红外相机2之间的距离，以及彩色相机3紧邻红外相机2设置的情况下，也可沿着远离听筒4的方向，依次设置红外投射器1、红外相机2和彩色相机3或者依次设置彩色相机3、红外相机2和红外投射器1。这种布置方式更适合大屏手机。因为红外投射器1、红外相机2与彩色相机3的排列布置影响例如手机等的尺寸大小，应根据实际需要来布置红外投射器1、红外相机2与彩色相机3的排列。
根据本发明的另一种实施方式，基于结构光的三维扫描系统包括红外投射器1、两个红外相机2、深度计算芯片、彩色相机3和处理器。红外投射器1用于向目标物体投射红外激光散斑平面图案，红外相机2用于拍摄附带有红外激光图案的目标物体，并且生成红外图像。深度计算芯片与红外相机2之间为电连接，红外相机2拍摄目标物体生成的红外图像传输至深度计算芯片，由深度计算芯片经过计算处理得出红外图像的深度数据并将红外图像的深度数据输出。处理器与红外投射器1、红外相机2、深度计算芯片和彩色相机3进行电连接。深度计算芯片输出的红外图像深度数据传输至处理器，处理器同时接收彩色相机3拍摄目标物体得到的二维数据信息，经过处理得出目标物体的三维数据信息。
在本实施方式中，彩色相机3与其中一个红外相机2紧邻地设置，红外投射器1和彩色相机3设置在两个红外相机2之间。红外投射器1和与彩色相机3紧邻设置的红外相机2的距离为15-30mm。
如图9所示，基于本发明的第二种技术方案的实施例1：手机屏幕6嵌入在手机外壳5中，听筒4设置在位于手机屏幕6上方的手机外壳5的中间位置。两个红外相机2分别设置在听筒4的两侧，彩色相机3设置在听筒4和位于听筒4左侧的红外相机2之间，并与位于听筒4左侧的红外相机2紧邻地设置。红外投射器1设置在听筒4和位于听筒4右侧的红外相机2之间，红外投射器1与位于听筒4左侧的红外相机2之间的距离为15-30mm。
如图10所示，基于本发明的第二种技术方案的实施例2：手机屏幕6嵌入在手机外壳5中，听筒4设置在位于手机屏幕6上方的手机外壳5的中间位置。两个红外相机2分别设置在听筒4的两侧，彩色相机3设置在听筒4和位于听筒4右侧的红外相机2之间，并与红外相机2紧邻地设置。红外投射器1设置在听筒4和位于听筒4左侧的红外相机2之间，红外投射器1与位于听筒4右侧的红外相机2之间的距离为15-30mm。
当然，基于本发明的上述第二种实施方式，也可以有其他的实施例，比如，红外投射器1和彩色相机3位于两个红外相机2之间时，可以将红外投射器1和彩色相机3均设置在听筒4的左侧或者右侧，具体根据实际需要来进行布置。
根据本发明的上述两种实施方式，可以有多种实施例，换言之，基于结构光的三维扫描系统在嵌入手机时，在保证精度要求的同时，结构布置十分灵活，能够适应各种不同型号的手机，适用范围较为广泛。
根据本发明的红外投射器1和红外相机2均采用CCM(紧凑型摄像头模组)制程技术来制作，使的红外投射器1和红外相机2的体积较小，有利于嵌入手机时减少手机的空间占用，有利于提高手机的屏占比。此外，利于深度计算芯片来处理计算红外图像的相关深度数据，相比于直接利于手机CPU进行处理，可以分担手机CPU的资源消耗，减少手机出现卡顿和发热的情况。
根据本发明的基于结构光的三维扫描系统，在上述两种实施方式中，处理器与红外投射器1、红外相机2、彩色相机3以及深度计算芯片的电连接可以通过三种方式实现。第一种实现方式为：红外投射器1、红外相机2、彩色相机3和深度计算芯片共同安装在一块线路板上，并与线路板电连接构成集成式结构，在此线路板上设置一个连接器与处理器进行电连接。由于红外投射器1、红外相机2、深度计算芯片和彩色相机3均安装在一块线路板上构成集成式结构，使得基于结构光的三维扫描系统安装于手机时较为方便，并且对手机的空间要求较低，可适用于多种规格的手机。
第二种实现方式为：彩色相机设置在手机上，为手机自带。红外投射器1、红外相机2和深度计算芯片安装在同一块线路板上，并与线路板进行电连接构成集成式结构，在此线路板上设置一个连接器与处理器进行电连接。
第三种实现方式为：红外投射器1与一个线路板进行电连接，红外相机2电连接一个线路板，彩色相机3电连接一个线路板，深度计算芯片电连接一个线路板。红外投射器1、红外相机2、彩色相机3和深度计算芯片分别通过与其电连接的单独的线路板与处理器进行电连接。此种方式下，红外投射器1、红外相机2、彩色相机3和深度计算芯片均作为一个单独的组件与处理器进行电连接，在进行组装时，灵活性更高，方便根据实际需要进行相应的调整。
此外，根据本发明的基于结构光的三维扫描系统除了应用于手机外，还可以应用于单独的、外接于手机上的相机模组。根据本发明的上述实施方式应用于单独的、外接于手机上的相机模组时，可提出以下多个实施例：
根据本发明的基于结构光的三维扫描系统可用于相机模组，实现基于结构光的三维扫描系统构成的相机模组外置于手机。如此设置使得需要三维拍摄时只需将相机模组与手机连接，方便快捷，不需要拍摄三维图像时可以轻松拆卸，而且便于携带。此外，将基于结构光的三维扫描系统应用于诸如相机模组的装置与手机等设备的连接容易实现，只需增设相应的连接端和USB连接接口即可，使得本发明的基于结构光的三维扫描系统应用于相机模组的应用范围较为广泛，可与任何手机或者其他设备进行连接，通用性强。
将基于结构光的三维扫描系统用于相机模组的技术方案，同样包括设置有一个红外相机2和设置有两个红外相机2的实施方式，红外投射器1与红外相机2之间的距离为15-30mm。
如图11所示，基于本发明的上述技术方案的实施例1：在本实施例中，红外投射器1、红外相机2和彩色相机3均设置在相机的壳体4中，红外投射器1在壳体4中靠右设置，红外相机2在壳体4中靠左设置，红外投射器与红外相机2之间的距离为15-30mm。彩色相机3位于红外投射器1和红外相机2之间，并紧邻红外相机2设置。在壳体4的一侧设置有USB接口5，本发明的基于结构光的三维扫描系统制成的相机模组可通过USB接口5与手机进行连接。当然，在本发明只设置一个红外相机2时，红外投射器1、红外相机2与彩色相机3的排布方式不局限于上述布置，可根据实际需要进行相应的调整。
如图12所示，基于本发明的上述技术方案的实施例2：在本实施例中，红外相机2设置有两个。红外投射器1、红外相机2和彩色相机3均设置在壳体4中，两个红外相机2在壳体中分别靠左和靠右设置。红外投射器1和彩色相机3设置在两个红外相机2之间，彩色相机3紧邻位于壳体4左侧的红外相机2设置，红外投射器1与位于壳体4左侧的红外相机2之间的距离为15-30mm。在壳体4的一侧设置有USB接口5，本发明的基于结构光的三维扫描系统制成的相机模组可通过USB接口5与手机进行连接。同样的，彩色相机3也可以紧邻位于壳体4右侧的红外相机2设置，具体排布方式根据实际需要而定。上述内容仅为本发明的具体方案的例举，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种基于结构光的三维扫描系统，包括：
红外投射器(1)，用于投射红外激光图案至目标物体上；
至少一个红外相机(2)，用于拍摄附有红外激光图案的目标物体，并且生成红外图像；
深度计算芯片，与所述红外相机(2)电连接，计算并输出由所述红外相机(2)传输的红外图像的深度数据；其特征在于，
还包括彩色相机(3)；以及
处理器，用于与所述红外投射器(1)、所述红外相机(2)、所述深度计算芯片以及所述彩色相机(3)电连接。
2.根据权利要求1所述的基于结构光的三维扫描系统，其特征在于，所述红外投射器(1)与所述红外相机(2)之间的距离为15mm-30mm。
3.根据权利要求1或2所述的基于结构光的三维扫描系统，其特征在于，所述红外相机(2)设置为一个，所述彩色相机(3)与所述红外相机(2)紧邻设置。
4.根据权利要求3所述的基于结构光的三维扫描系统，其特征在于，所述彩色相机(3)位于所述红外相机(2)的一侧。
5.根据权利要求4所述的基于结构光的三维扫描系统，其特征在于，所述红外投射器(1)位于所述红外相机(2)的一侧。
6.根据权利要求1或2所述的基于结构光的三维扫描系统，其特征在于，所述红外相机(2)设置为两个，所述彩色相机(3)与其中一个所述红外相机(2)紧邻设置。
7.根据权利要求6所述的基于结构光的三维扫描系统，其特征在于，所述红外投射器(1)与所述彩色相机(3)位于两个所述红外相机(2)之间。
8.根据权利要求1或2所述的基于结构光的三维扫描系统，其特征在于，所述红外投射器(1)、所述红外相机(2)、所述深度计算芯片以及所述彩色相机(3)通过同一块线路板与所述处理器电连接。
9.根据权利要求1或2所述的基于结构光的三维扫描系统，其特征在于，所述红外投射器(1)、所述红外相机(2)以及所述深度计算芯片通过同一块线路板与所述处理器电连接；
所述彩色相机(3)通过其他线路板单独与所述处理器电连接。
10.根据权利要求1或2所述的基于结构光的三维扫描系统，其特征在于，所述红外投射器(1)、所述红外相机(2)、所述深度计算芯片以及所述彩色相机(3)分别通过不同的线路板与所述处理器电连接。
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