CN107860336A - 无串扰的深度相机及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无串扰的深度相机及其系统，包括激光投影装置，用于向外投射图案化光束；图像采集装置，用于采集所述激光投影装置投射的图案化光束；主板，用于固定并驱动所述激光投影装置与所述图像采集装置；处理器，设置在所述主板上，用于处理所述图像采集装置采集的图案化光束，获取深度信息；线偏振片，设置在所述激光投影装置的出光侧和所述图像采集装置的入光侧，用于起偏和/或检偏所述图案化光束。通过匹配深度相机激光投影装置与图像采集装置所投射或接收的图案化光束的偏振属性，可以有效降低或避免深度相机系统中深度相机之间的相互串扰，提升深度相机系统精准度。

Description

无串扰的深度相机及系统
技术领域
本发明涉及三维重建技术领域，尤其涉及一种无串扰的深度相机及系统。
背景技术
三维重建技术是通过计算机数字化的手段，将客观世界中的三维实体真实再现在计算机中。目前，主流的三维重建技术包括激光扫描和结构光扫描获取目标物体的空间点云。激光扫描三维重建精度较高，但体积庞大、价格昂贵，不适合普及推广。基于结构化光束扫描获取目标物体空间点云的深度相机，例如微软的KINECT、奥比中光的ASTRA具有体积小、空间点云精准、价格合理等优点，被广泛应用于消费级的场景重建、虚拟与现实、人机交互等领域。
深度相机将结构化光图案投影至目标空间内，实现目标空间的标定。当目标空间内放入物体时，深度相机投影的结构化光图案会发生形变，并且该形变相对于光源是离轴的，因此可以通过三角测量技术获得物体的深度信息，进而得到物体的空间点云信息。对于单台深度相机而言，其仅能提供有限视场角和工作距离，并不适用于复杂空间、物体的三维重建，或者并不能够完整地反映复杂空间、物体的真实场景。针对单台深度相机的局限性，一种解决方案是通过使用多台深度相机同时对目标物体进行扫描，获取目标物体360°的深度图像，进而获得目标物体的空间点云信息。这种方案虽然可以改善单台深度相机的局限性，但是也存在明显的缺陷。当多台深度相机同时工作时，不同深度相机所投射的结构化光图案会出现重叠，由于每台深度相机性能参数相同，因此其重叠部分会的图案化光束密度会变大，进而造成不同深度相机投射的光图案发生相互串扰，使得每一台深度相机图像采集装置捕获的信息不准确，最终导致每一台深度相机的精准度下降。
现有技术中，为了降低多台深度相机同时工作时的相互串扰，一般通过调整深度相机之间的摆放位置或角度，尽可能避免深度相机投射的结构化光图案出现重叠或干涉；又或者通过控制器控制多台深度相机的工作状态进行交替投影，以避免深度相机之间的相互串扰。上述方案虽然可以减低或避免多台深度相机之间的串扰，但也极大的局限了多台深度相机的使用环境，尤其是在复杂物体的实时三维重建应用领域。由于多台深度相机需要交替投影，这导致每一台深度相机获取的实时数据存在着一定程度的延迟，进而影响到实时数据的输出。所以现有技术中没有一种技术能够解决多台深度相机同时工作时的相互串扰问题。
发明内容
本发明为了解决现有技术中多台深度相机同时工作时的相互串扰问题，提供一种无串扰的深度相机及系统。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：
本发明提供一种无串扰的深度相机，包括激光投影装置，用于向外投射图案化光束；图像采集装置，用于采集所述激光投影装置投射的图案化光束；主板，用于固定并驱动所述激光投影装置与所述图像采集装置；处理器，设置在所述主板上，用于处理所述图像采集装置采集的图案化光束，获取深度信息；线偏振片，设置在所述激光投影装置的出光侧和所述图像采集装置的入光侧，用于起偏和/或检偏所述图案化光束。所述线偏振片以任意方向起偏和/或检偏，并且所述激光投影装置的所述线偏振片的透振方向和所述图像采集装置的所述线偏振片的透振方向一致；所述激光投影装置的所述线偏振片和所述图像采集装置的所述线偏振片是独立安装或一体安装；；
本发明提供的一种无串扰的深度相机，还包括液晶光调制器，所述液晶光调制器设置在所述线偏振片的出光侧和/或入光侧；用于精确控制所述激光投影装置投射的图案化光束的偏振方向并筛选所述图像采集装置采集的图案化光束；所述激光投影装置的所述液晶光调制器和所述图像采集装置的所述液晶光调制器是独立安装或一体安装；所述液晶光调制器为扭曲型液晶光调制器并受所述主板的电压控制；所述液晶光调制器的驱动电压为0-8V。
本发明还提供一种深度相机系统，包括：至少两台如权利要求1-7任一所述的深度相机，所述深度相机同时工作。相邻所述深度相机激光投影装置投射的图案化光束的偏振方向相互垂直；所述深度相机规则或不规则排布。
本发明的有益效果为：提供一种无串扰的深度相机及其系统，通过在深度相机的激光投影装置和图像采集装置分别设置线偏振片，设置线偏振片的透振方向确保了深度相机的激光投影装置投射出的光束与图像采集装置采集的光束之间配对，从而保证了深度相机不受周围环境中其他光束的串扰，进而保证深度相机的精准度。
进一步的，由本发明提供的深度相机组成的深度相机系统，通过设置相邻的深度相机之间透振方向避免了深度相机之间相互串扰的问题，从而提升深度相机系统的精准度。
附图说明
图1是本发明一个实施例中相邻深度相机之间的相互串扰示意图。
图2是本发明一个实施例中深度相机结构示意图。
图3是本发明一个实施例中深度相机系统示意图。
图4是本发明又一个实施例中深度相机结构示意图。
其中，100-深度相机，101-激光投影装置，102-图像采集装置，103-主板，104-处理器，105-线偏振片，106-液晶光调制器，111-图案化光束，11-重叠区域，11a-重叠区域，11b-重叠区域，200-深度相机，121-图案化光束，122-图案化光束，201-激光投影装置，202-图像采集装置，211-图案化光束，300-深度相机，301-激光投影装置，302-图像采集装置，311-图案化光束，400-深度相机，401-激光投影装置，402-图像采集装置，411-图案化光束，500-深度相机，131-第一图案化光束，132-第二图案化光束。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本发明进行详细的介绍，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。另外，需要说明的是，下述实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构思，附图中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形状、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，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，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，是相邻深度相机之间的相互串扰示意图。为了便于理解，仅以两台深度相机为例，实际情况可能涉及超过两台深度相机同时进行工作的情况。现有技术中，如图1所示，深度相机100一般包括激光投影装置101、图像采集装置102或者还包括RGB相机(图中未标明)；其中激光投影装置101以一定的视场角向目标空间投射图案化光束111；其中，图像采集装置102用于捕捉上述图案化光束111，以获得目标空间的深度信息。如图1所示，假设两台性能参数相同的深度相机100沿同一垂直方向相邻放置，并且深度相机激光投影装置101的最大工作距离为L2，则每一台深度相机激光投影装置101的最大视场角所对应的距离为L1。当两台相邻放置的深度相机100其激光投影装置101的距离L小于L1时，两台深度相机所投射的图案化光束111会出现一定的重叠区域11。该重叠区域11的大小主要由深度相机激光投影装置101的最大视场角最大工作距离L2以及相邻深度相机100之间的距离L共同决定。由于两台深度相机的性能参数相同，尤其是其工作波长相同，所以两台深度相机100投影的图案化光束111，其重叠区域11的图案化光束的密度会进一步变大或者还会发生干涉效应，进而造成每一台深度相机的图像采集装置102对重叠区域11所捕获的信息出现偏差，最终导致深度相机系统中的每一台深度相机的精准度下降。
图2是根据本发明一种实施例的深度相机示意图。为了降低多个深度相机同时工作时产生的串扰，本实施例中的深度相机200的主要组成部分包括：激光投影装置101、图像采集装置102、主板103、处理器104以及线偏振片105。
其中，激光投影装置101包括光源、准直透镜以及衍射光学元件，用于向外投射图案化光束121；
其中，图像采集装置102包括CMOS芯片和成像透镜，用于采集目标空间中的图案化光束122；
其中，主板103用于固定并驱动激光投影装置101以及图像采集装置102；
其中，处理器104用于计算并处理图像采集装置102采集的图像信息，以获取目标空间或物体的深度信息；
其中，线偏振片105分别用于起偏激光投影装置101投射的图案化光束121和检偏图像采集装置102捕捉到的图案化光束122；
其中，所述图案化光束121与所述图案化光束122为随机均匀分布且不相关的激光散斑图案。
一种实施方式中，激光投影装置101、图像采集装置102安装在同一个深度相机平面且处于同一条基线上，每个装置都对应一个进光窗口。其中，激光投影装置101透过进光窗口向目标空间投射图案化光束121；其中，图案采集装置102透过进光窗口捕捉目标空间中的图案化光束122。线偏振片105通过镶嵌、粘贴的方式分别固定或安装在上述进光窗口一侧，具体可以是内侧也可以是外侧，出于更好地保护线偏振片105考虑，优选将线偏振片105固定或安装在进光窗口内侧。处理器104通过集成的方式固定在主板103上，激光投影装置101与图像采集装置102通过FPC接口或导线与主板103连接。
激光投影装置101向外发射图案化光束，由于激光投影装置101的进光窗口一侧设置了一片线偏振片105，因此只允许图案化光束中与线偏振片105透振方向一致的图案化光束121通过并射向目标空间；又由于图像采集装置102的进光窗口一侧同样设置了一片线偏振片105，因此，只有振动方向与图像采集装置102的线偏振片105透振方向一致的图案化光束122可以进入图像采集装置102内。本实施例中，两片线偏振片105的透振方向一致，即图像采集装置102可以有效地捕捉到激光投影装置101投射到目标空间的图案化光束，并且还可以屏蔽振动方向与透振方向相互垂直的线偏振光束。此外，需要注意的是，对于激光投影装置101和图像采集装置102，线偏振片105的面积均不小于进光窗口的面积。
在本发明的变通实施例中，激光投影装置101与图像采集装置102进光窗口一侧的线偏振片105可以是一片整体的线偏振片，需要强调的是，此时线偏振片105的面积不小于两个进光窗口的面积。根据本发明又一变通实施例中，线偏振片105可以分别安装在激光投影装置101的出光一侧以及图像采集装置102的进光一侧。此外，线偏振片105可以以任意角度起偏和/或检偏，但需要确保激光投影装置101与图像采集装置102的进光窗口一侧的线偏振片105的透振方向一致。激光投影装置101光源的波长可以为850nm、950nm的红外激光束或者其他合适波段的激光束。激光投影装置101投射的图案化光束还可以是明暗相间的条纹光束或者其他合适的编码结构化光束。
由于上述深度相机200所投射或捕获的图案化光束为线偏振光束，因此可以利用深度相机投射不同偏振属性的图案化光束，降低或者避免多台深度相机同时工作造成的相互串扰。
如图3所示，是根据本发明一种实施例的深度相机系统示意图。为了便于理解，图3仅示出了三台深度相机设置在同一基线方向上的情况，但应该强度的是，图3所示的深度相机系统仅用于示意说明，不能理解为对本发明的限制，实际应用中的深度相机系统有可能包括三台或以上的深度相机，并且该深度相机系统内的每一台深度相机的具体放置方式不做限定。
在本发明的变通实施例中，深度相机系统包括在竖直方向上设置三台以上的深度相机，把竖直方向上所有的深度相机看做一组子系统；在一个360°的空间内，设置四组相同设置的深度相机子系统，每组深度相机子系统中同一水平方向上的深度相机相互对应，通过设置具体的角度参数可以解决在竖直方向和水平方向的相互串扰的问题。设置角度参数时可以综合考虑深度相机在竖直方向和水平方向的张角。
如图3所示，深度相机系统包括深度相机200、深度相机300以及深度相机400；其中，深度相机系统中的每一台深度相机都包括了激光投影装置和图像采集装置。深度相机200的激光投影装置201向目标空间投射振动方向为+45°的图案化光束211，结合图2所示的实施例，即在激光投影装置201以及图像采集装置202的进光窗口一侧均设置透振方向为+45°的线偏振片；其中，深度相机300的激光投影装置301向目标空间投射振动方向为-45°的图案化光束311，结合图2所示的实施例，即在激光投影装置301以及图像采集装置302进光窗口一侧设置透振方向为-45°的线偏振片；其中，深度相机400的激光投影装置401向目标空间投射振动方向为-135°的图案化光束411，结合图2所示的实施例，即在激光投影装置401以及图像采集装置402进光窗口一侧放置透振方向为-135°的线偏振片；其中，图案化光束211与图案化光束311重叠，其重叠区域为11a；其中图案化光束311与图案化光束411重叠，其重叠区域为11b。
由于图案化光束211、图案化光束311以及图案化光束411的振动方向为别为+45°、-45°以及-135°，因此重叠区域11a与重叠区域11b不会发生干涉效应。此外，又由于深度相机200的图像采集装置202进光窗口一侧也设置了透振方向为+45°的线偏振振片，基于线偏振片的遮蔽、吸收特性，因此，深度相机200的图像采集装置202可以完全遮蔽来自深度相机300激光投影装置301所投射的图案化光束311。同理，深度相机300的图像采集装置302不会受到深度相机200激光投影装置201所投射的图案化光束211的影响。相似地，深度相机300与深度相机400也不会发生相互串扰，因为深度相机300的激光投影装置301与深度相机400的激光投影装置401所投射的图案化光束的偏振方向是相互正交的，即重叠区域11b亦不会发生干涉效应。基于相邻深度相机激光投影装置所投射正交偏振的图案化光束，可以有效的降低或者避免相邻深度相机之间的相互串扰。
可以理解的是，上述图案化光束211、图案化光束311以及图案化光束411的振动方向为别为+45°、-45°以及-135°只是一种具体的应用情况，不应该看做是对本发明的限制。相邻深度相机的激光投影装置和图像采集装置的线偏振片之间偏振方向互相垂直的时候，就可以完全避免串扰，偏振方向的角度可以任意选择。
在本发明的变通实施例中，深度相机系统中的深度相机也可以无序排列，只要通过其最大视场角、最大工作距离以及深度相机之间的相对距离就可以利用本发明所述的方法去设置偏振片的透振方向从而避免串扰。并不应该理解为拘泥于必须水平设置或者竖直设置，只是当深度相机系统包含多个深度相机时，如果多个深度相机均无序排布，考虑单个深度相机的串扰情况时比较复杂，但是本发明所述的方法是可以实现的。
相比于现有技术，这样设置的有益效果是：无需使用控制器对多台深度相机进行分时交替控制，可以实时对多台深度相机进行同时工作，并且相邻的深度相机之间不存在相互串扰的问题，确保了每一台深度相机的激光投影装置与图像采集装置之间的配对，从而保证了每一台深度相机的精准度，最终提升了深度相机系统的精准度。
图4是根据本发明另一种实施例深度相机示意图。该实施例深度相机500的结构与图2实施例深度相机200大致相同，区别在于本实施例中的深度相机201还包括了液晶光调制器106。液晶光调制器106被设置在激光投影装置101与图像采集装置102的进光窗口一侧，并且通过导线或者FPC接口与主板连接，受处理器104控制以及主板103电压驱动。
一种实施方式中，线偏振片105与液晶光调制器106通过镶嵌、胶粘的方式构成一个整体，并且线偏振片105与液晶光调制器106的面积均不小于激光投影装置101、图像采集装置102所对应进光窗口的面积。其中，上述液晶光调制器106为扭曲型液晶光调制器。
激光投影装置101向外投射图案化光束，图案化光束经起偏器105起偏后进入到液晶光调制器106内，由于液晶光调制器106是电驱动扭曲型液晶光调制器，即当液晶光调制器106驱动电压为0V时，经线偏振片105起偏的图案化光束，基于液晶光调制器的旋光效应，其偏振态会发生90°旋转，并以第一图案化光束131透过进光窗口射向目标空间；其中第一图案化光束131的振动方向与线偏振片105的透振方向相互垂直。当液晶光调制器106的驱动电压不为零且达到最大值Vmax时，一种实施方式中Vmax＝8V，液晶光调制器106内的液晶分子受迫于电场作用力，液晶分子统一沿电场方向分布，此时，经线偏振片105起偏的图案化光束直接不发生偏转地通过液晶光调制器106，以又一第一图案化光束131透过进光窗口射向目标空间。当液晶光调制器106的驱动电压介于0-Vmax时，即0-8V，可以通过改变电压精确控制液晶光调制器106内的液晶分子的排列方向，以达到精确控制第一图案化光束131偏振方向的目的。需要注意的是，为了确保图像采集装置102能有效地采集到第二图案化光束132，必须要求激光投影装置101与图像采集装置102进光窗口一侧的线偏振片105、液晶光调制器106的偏振属性一致。其中，上述的第二图案化光束132是第一图案化光束131经物体或目标平面发射的光束，因此第二图案化光束132的偏振方向认为与第一图案化光束131的偏振方向一致。
基于深度相机500投射的图案化光束的偏振状态可以精确调控，在需要多台深度相机同时工作的深度相机系统中，可以通过调整相邻深度相机之间偏振属性的方式，使得相邻深度相机所投射的图案化光束尽可能不发生干涉，以达到避免或者降低深度相机之间相互串扰的目的。
相比于现有技术，这样设置的有益效果是，可以根据实际需求，通过处理器对主板发出供电指令的方式，改变液晶光调制器的驱动电压，实现精确控制深度相机投影装置投射的图案化光束的偏振状态，以达到最大限度地降低深度相机系统中深度相机之间的串扰，并且提高深度相机系统精准度。
在本发明的变通实施例中，激光投影装置投射与图像采集装置进光窗口一侧的液晶光调制器106可以是一块整体的液晶光调制器，即液晶光调制器同时覆盖了两个进光窗口。根据本发明又一变通实施例中，线偏振片105可以分立安装在激光投影装置101的出光一侧以及图像采集装置102的进光一侧。
在本发明的基础上，采用其他现有技术中的光学元件通过控制深度相机系统投射不同偏振属性的图案化光束以降低深度相机之间的相互串扰的方法，都应该属于本发明所要保护的方法。
在本发明的深度相机中，以上所描述的硬件安装方法都不应该视为对本发明的限制，所需硬件只需满足本发明所述的顺序安装即可，其具体安装方式可采用现有技术中可实现的安装方式。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无串扰的深度相机，其特征在于，包括
激光投影装置，用于向外投射图案化光束；
图像采集装置，用于采集所述激光投影装置投射的图案化光束；
主板，用于固定并驱动所述激光投影装置与所述图像采集装置；
处理器，设置在所述主板上，用于处理所述图像采集装置采集的图案化光束，获取深度信息；
线偏振片，设置在所述激光投影装置的出光侧和所述图像采集装置的入光侧，用于起偏和/或检偏所述图案化光束。
2.如权利要求1所述的无串扰的深度相机，其特征在于，还包括液晶光调制器，所述液晶光调制器设置在所述线偏振片的出光侧和/或入光侧；用于精确控制所述激光投影装置投射的图案化光束的偏振方向并筛选所述图像采集装置采集的图案化光束。
3.如权利要求1所述的无串扰的深度相机，其特征在于，所述线偏振片以任意方向起偏和/或检偏，并且所述激光投影装置的所述线偏振片的透振方向和所述图像采集装置的所述线偏振片的透振方向一致。
4.如权利要求1所述的无串扰的深度相机，其特征在于，所述激光投影装置的所述线偏振片和所述图像采集装置的所述线偏振片是独立安装或一体安装。
5.如权利要求2所述的无串扰的深度相机，其特征在于，所述激光投影装置的所述液晶光调制器和所述图像采集装置的所述液晶光调制器是独立安装或一体安装。
6.如权利要求2所述的无串扰的深度相机，其特征在于，所述液晶光调制器为扭曲型液晶光调制器并受所述主板的电压控制。
7.如权利要求6所述的无串扰的深度相机，其特征在于，所述液晶光调制器的驱动电压为0-8V。
8.一种深度相机系统，其特征在于，包括：至少两台如权利要求1-7任一所述的深度相机，所述深度相机同时工作。
9.如权利要求8所述的深度相机系统，其特征在于，相邻所述深度相机激光投影装置投射的图案化光束的偏振方向相互垂直。
10.如权利要求8所述的深度相机系统，其特征在于，所述深度相机规则或不规则排布。
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