CN108089199A - 一种半固态三维彩色成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半固态三维彩色成像装置,包括激光发射模块、振镜模块、激光接收模块、彩色摄像头模块、电子电路模块、支撑保护与滤镜模块。激光发射模块发射出激光后,经过振镜模块可实现大范围的扫描,当发射出去的激光碰撞到物体后,部分激光将反射回装置,作用在激光接收模块的传感器上。通过计算从发射到接收的时间,计算出物体与装置间的距离。结合彩色摄像头模块的RGB图像信息,就可形成三维彩色图像。本发明能够实现高速度、高精度、大幅面的激光雷达扫描,并形成三维彩色图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种半固态三维彩色成像装置,具体地说是一种用于三维成像的设备或仪器,属于光电技术领域。
背景技术
传统的图像技术多指二维平面图像,其单张图像不具备深度信息,随着技术的发展,越来越多的应用场景希望能够获得三维信息,例如,无人驾驶汽车、服务机器人、仓储机器人等,相应的方案包括:双目视觉方案、红外结构光方案、脉冲式激光扫描方案等。
双目视觉方案在图像处理过程中需要大量的计算实现特征点的匹配等,且当距离较远的时候,双目无法实现三维的构建。相比于红外结构光等红外方案,脉冲式激光方案优势在于能够测量的距离较远,因此比较适合对远距离测量,另外,在众多应用场合需要将环境重现与建模,此时就需要结合彩色图像传感器进行图像融合。
对于利用脉冲激光三维建模的方式是现阶段主要分为三种方式:相控阵的全固态激光雷达、利用MEMS的半固态激光雷达、机械式旋转扫描式激光雷达,其中全固态激光雷达利用波的相干性进行控制雷达的扫描,半固态激光雷达利用MEMS振动进行激光的偏振扫描,采用同光路接受时,面临MEMS振镜尺寸小,难以做大的困扰,采用非同光路方式的单点接受时,如专利CN201621313375.4中提到的,其将接收大量的环境光,引起信号噪声,不利于进行信号处理。采用机械式旋转扫描式激光雷达则由于引入机械零件,为实现扫描,其机械结构比较复杂,且寿命受到限制。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的在于提供一种半固态三维彩色成像装置,包括激光发射模块、振镜模块、激光接收模块、彩色摄像头模块、电子电路模块、支撑保护与滤镜模块。激光发射模块发射出激光后,经过振镜模块可实现大范围的扫描,当发射出去的激光碰撞到物体后,部分激光将反射回装置,作用在激光接收模块的传感器上,通过计算从发射到接收的时间,计算出物体与装置间的距离。结合彩色摄像头模块的彩色图像信息,就可形成三维彩色图像。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案,并以一种典型实施实例为例进行说明。以下实施例有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明保护范围。
一种半固态三维彩色成像装置,包括激光发射模块、振镜模块、激光接收模块、彩色摄像头模块、电子电路模块、支撑保护与滤镜模块;所述激光发射模块发射出准直脉冲激光作用于振镜模块,经过振镜模块的反射后,激光将与X轴和Y轴具有夹角,之后准直激光将穿过发射保护镜,从而发射出装置,激光作用到物体后,经过漫反射,部分激光将经过接收保护镜进入激光接收模块,作用到面阵的激光接收传感器的像素级感应单元上,通过计算飞行时间,以及接收该激光的面阵的激光接收传感器单元位置信息,得到该方向上物体与装置的三维空间坐标位置关系,结合彩色摄像头模块在该位置的彩色信息,则得到该位置的彩色及深度信息,通过振镜模块的振镜的不断振动,改变激光与X轴和Y轴偏角,进行一个区域的扫描,最终得到区域内各个点的距离信息及彩色信息,形成三维彩色图像。
装置判断激光反射点相对于装置的空间三维位置可采用两种方式:一种是电子电路模块得到振镜模块中振镜的偏角,以及通过飞行时间得到的距离,通过换算得到激光反射点的相对装置的空间位置;第二种方法是透过得到激光接收模块中激光接收传感器上感应到激光的像素单元的位置,以及通过飞行时间得到的距离,通过换算得到激光反射点的相对装置的空间位置。
激光发射模块固定在支撑保护与滤镜模块的支撑固定件组上,通过电子电路模块控制激光发射模块发射激光脉冲;振镜模块固定在支撑保护与滤镜模块的支撑固定件组上,通过电子电路模块控制振镜模块中振镜的振动;激光接收模块固定在支撑保护与滤镜模块的支撑固定件组上,激光接收模块产生光电信号后,将光电信号传送给电子电路模块进行处理;彩色摄像头模块固定在支撑保护与滤镜模块的支撑固定件组上或固定在电子电路模块上,获取彩色图像,并将数据传送给电子电路模块;电子电路模块固定在支撑保护与滤镜模块的支撑固定件组上,用于控制激光发射模块发射激光脉冲、控制振镜模块的振镜振动、处理激光接收模块产生光电信号、处理彩色摄像头模块的彩色图像、以及对外通信的输入和输出,另外,电子电路模块上可集成GPS定位功能模块、惯性导航IMU功能模块;支撑保护与滤镜模块包括发射保护镜、接收保护镜、接收滤光镜、彩色摄像头保护镜、支撑固定件组,发射保护镜、接收保护镜、接收滤光镜、彩色摄像头保护镜都固定在支撑固定件组上。
振镜模块可为一个二维MEMS旋转振镜、两个一维MEMS旋转振镜组合、两个电机带动的旋转振镜、一个一维MEMS旋转振镜加一个电机带动的旋转振镜的组合,四种方案中的一种,实现激光在二维平面的扫描;振镜模块具有反馈振镜角度反馈单元,监测振镜的振动状态和角度。
激光接收模块的激光接收传感器是面阵的传感器;外界的点状激光经过激光接收模块的透镜组后,激光将作用在激光接收传感器的像素级感应单元上。
彩色摄像头模块可包含零个彩色摄像头、一个彩色摄像头、两个彩色摄像头,当包含零个彩色摄像头时,装置只用于进行三维信息的成像。
装置能够结合激光三维信息和彩色图像信息提供一种有效的远距离三维彩色成像方式,对于近距离的三维彩色图像信息,可通过采用两个彩色摄像头的工作方式实现。
装置能够结合振镜模块中振镜的偏角信息,判断激光接收模块中激光接收传感器上感应到激光是否本设备发射的激光,从而可直接过滤掉其他设备激光引起的建模偏差噪声。
本发明的优点及有益效果是:
1.本发明采用MEMS振镜进行激光扫描时,没有传动系统,减少了系统复杂性,能够提高系统寿命。
2.本发明提出面阵接收激光信号的方式,与彩色摄像头接收信号方式相同,更容易实现深度图像与彩色图像的匹配。
3.本发明结合激光三维信息和彩色图像信息能够提供一种有效的远距离三维彩色成像方式,对于近距离的三维彩色图像信息,可通过采用两个彩色摄像头的方式,从而能够实现互补形式的方案,能够形成功能更加强大的三维成像装置。
4.本发明具有高集成的特点,促使系统尺寸小,且便于安装。
附图说明
图1为本发明一种实施案例的原理示意图;
图2为发明计算激光反射点相对于装置的几何计算方法;
图中,1为激光发射模块;2为振镜模块、3为激光接收模块、4为彩色摄像头模块、5为电子电路模块、6为支撑保护与滤镜模块;61为发射保护镜、62接收保护镜、63为接收滤光镜、64为彩色摄像头保护镜、65支撑固定件组。
具体实施方式
下面结合附图和一种实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示,本发明提供的一种半固态三维彩色成像装置,包括激光发射模块、振镜模块、激光接收模块、彩色摄像头模块、电子电路模块、支撑保护与滤镜模块。激光发射模块发射出激光后,经过振镜模块可实现大范围的扫描,当发射出去的激光碰撞到物体后,部分激光将反射回装置,作用在激光接收模块的传感器上,通过计算从发射到接收的时间,计算出物体与装置间的距离。结合彩色摄像头模块的彩色图像信息,就可形成三维彩色图像。
具体使用实施内容如下:
一种半固态三维彩色成像装置,包括激光发射模块(1)、振镜模块(2)、激光接收模块(3)、彩色摄像头模块(4)、电子电路模块(5)、支撑保护与滤镜模块(6);所述激光发射模块(1)发射出准直脉冲激光作用于振镜模块(2),经过振镜模块(2)的反射后,激光将与X轴和Y轴具有夹角,之后准直激光将穿过发射保护镜(61),从而发射出装置,激光作用到物体后,经过漫反射,部分激光将经过接收保护镜(62)进入激光接收模块(3),作用到面阵的激光接收传感器的像素级感应单元上,通过计算飞行时间,以及接收该激光的面阵的激光接收传感器单元位置信息,得到该方向上物体与装置的三维空间坐标位置关系,结合彩色摄像头模块(4)在该位置的彩色信息,则得到该位置的彩色及深度信息,通过振镜模块(2)的振镜的不断振动,改变激光与X轴和Y轴偏角,进行一个区域的扫描,最终得到区域内各个点的距离信息及彩色信息,形成三维彩色图像。
装置判断激光反射点相对于装置的空间三维位置可采用两种方式:一种是电子电路模块(5)得到振镜模块(2)中振镜的偏角,以及通过飞行时间得到的距离,通过换算得到激光反射点的相对装置的空间位置;第二种方法是透过得到激光接收模块(3)中激光接收传感器上感应到激光的像素单元的位置,以及通过飞行时间得到的距离,通过换算得到激光反射点的相对装置的空间位置。
激光发射模块(1)固定在支撑保护与滤镜模块(6)的支撑固定件组(65)上,通过电子电路模块(5)控制激光发射模块(1)发射激光脉冲;振镜模块(2)固定在支撑保护与滤镜模块(6)的支撑固定件组(65)上,通过电子电路模块(5)控制振镜模块(5)中振镜的振动;激光接收模块(3)固定在支撑保护与滤镜模块(6)的支撑固定件组(65)上,激光接收模块(3)产生光电信号后,将光电信号传送给电子电路模块(5)进行处理;彩色摄像头模块(4)固定在支撑保护与滤镜模块(6)的支撑固定件组(65)上或固定在电子电路模块(5)上,获取彩色图像,并将数据传送给电子电路模块(5);电子电路模块(5)固定在支撑保护与滤镜模块(6)的支撑固定件组(65)上,用于控制激光发射模块(1)发射激光脉冲、控制振镜模块(2)的振镜振动、处理激光接收模块(3)产生光电信号、处理彩色摄像头模块(4)的彩色图像、以及对外通信的输入和输出,另外,电子电路模块(5)上可集成GPS定位功能模块、惯性导航IMU功能模块;支撑保护与滤镜模块(6)包括发射保护镜(61)、接收保护镜(62)、接收滤光镜(63)、彩色摄像头保护镜(64)、支撑固定件组(65),发射保护镜(61)、接收保护镜(62)、接收滤光镜(63)、彩色摄像头保护镜(64)都固定在支撑固定件组(65)上。
振镜模块(2)可为一个二维MEMS旋转振镜、两个一维MEMS旋转振镜组合、两个电机带动的旋转振镜、一个一维MEMS旋转振镜加一个电机带动的旋转振镜的组合,四种方案中的一种,实现激光在二维平面的扫描;振镜模块(2)具有反馈振镜角度反馈单元,监测振镜的振动状态和角度。
激光接收模块(3)的激光接收传感器是面阵的传感器;外界的点状激光经过激光接收模块的透镜组后,激光将作用在激光接收传感器的像素级感应单元上。
彩色摄像头模块(4)可包含零个彩色摄像头、一个彩色摄像头、两个彩色摄像头,当包含零个彩色摄像头时,装置只用于进行三维信息的成像。
装置能够结合激光三维信息和彩色图像信息提供一种有效的远距离三维彩色成像方式,对于近距离的三维彩色图像信息,可通过采用两个彩色摄像头的工作方式实现。
装置能够结合振镜模块(2)中振镜的偏角信息,判断激光接收模块(3)中激光接收传感器上感应到激光是否本设备发射的激光,从而可直接过滤掉其他设备激光引起的建模偏差噪声。
如图2中所示,反射点的相对于装置坐标系的空间位置,设三维彩色成像装置的坐标原点在面阵激光接收传感器的中心,相应的坐标系构建如图2所示。对于z轴的坐标可通过如下计算公式计算:根据成像原理可知:1/u+1/v=1/f,其中u表示物距,v表示像距,f表示透镜的焦距,从而得到物距u=fv/(v-f),则z轴的距离为v+fv/(v-f)。
图2中d为通过飞行时间计算的距离值,假设激光发射到接收的时间长为t,则d=ct/2,其中c为光的传播速度。
A点到B点的距离为L=sqrt(d^2-(v+fv/(v-f))^2),其中sqrt表示开根号,根据成像点A处的X轴和Y轴与坐标原点的位置关系,可知x2=-x1(L-sqr(x1^2+y1^2))/sqr(x1^2+y1^2);y2=-y1(L-sqr(x1^2+y1^2))/sqr(x1^2+y1^2)。由此,则完全得到了反射点的相对于装置坐标系的空间位置。
以上对本发明的具体实施进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定的实施方式,本领域人员可以在权利要求范围内做出各种变形和修改,这并不影响本发明的实质内容。
Claims (8)
1.一种半固态三维彩色成像装置,其特征在于,包括激光发射模块(1)、振镜模块(2)、激光接收模块(3)、彩色摄像头模块(4)、电子电路模块(5)、支撑保护与滤镜模块(6);所述激光发射模块(1)发射出准直脉冲激光作用于振镜模块(2),经过振镜模块(2)的反射后,激光将与X轴和Y轴具有夹角,之后准直激光将穿过发射保护镜(61),从而发射出装置,激光作用到物体后,经过漫反射,部分激光将经过接收保护镜(62)进入激光接收模块(3),作用到面阵的激光接收传感器的像素级感应单元上,通过计算飞行时间,以及接收该激光的面阵的激光接收传感器单元位置信息,得到该方向上物体与装置的三维空间坐标位置关系,结合彩色摄像头模块(4)在该位置的彩色信息,则得到该位置的彩色及深度信息,通过振镜模块(2)的振镜的不断振动,改变激光与X轴和Y轴偏角,进行一个区域的扫描,最终得到区域内各个点的距离信息及彩色信息,形成三维彩色图像。
2.根据权利要求1所述的一种半固态三维彩色成像装置,其特征在于,装置判断激光反射点相对于装置的三维空间位置可采用两种方式:一种是电子电路模块(5)得到振镜模块(2)中振镜的偏角,以及通过飞行时间得到的距离,通过换算得到激光反射点的相对装置的空间位置;第二种方法是透过得到激光接收模块(3)中激光接收传感器上感应到激光的像素单元的位置,以及通过飞行时间得到的距离,通过换算得到激光反射点的相对装置的空间位置。
3.根据权利要求1所述的一种半固态三维彩色成像装置,其特征在于,激光发射模块(1)固定在支撑保护与滤镜模块(6)的支撑固定件组(65)上,通过电子电路模块(5)控制激光发射模块(1)发射激光脉冲;振镜模块(2)固定在支撑保护与滤镜模块(6)的支撑固定件组(65)上,通过电子电路模块(5)控制振镜模块(5)中振镜的振动;激光接收模块(3)固定在支撑保护与滤镜模块(6)的支撑固定件组(65)上,激光接收模块(3)产生光电信号后,将光电信号传送给电子电路模块(5)进行处理;彩色摄像头模块(4)固定在支撑保护与滤镜模块(6)的支撑固定件组(65)上或固定在电子电路模块(5)上,获取彩色图像,并将数据传送给电子电路模块(5);电子电路模块(5)固定在支撑保护与滤镜模块(6)的支撑固定件组(65)上,用于控制激光发射模块(1)发射激光脉冲、控制振镜模块(2)的振镜振动、处理激光接收模块(3)产生光电信号、处理彩色摄像头模块(4)的彩色图像、以及对外通信的输入和输出,另外,电子电路模块(5)上可集成GPS定位功能模块、惯性导航IMU功能模块;支撑保护与滤镜模块(6)包括发射保护镜(61)、接收保护镜(62)、接收滤光镜(63)、彩色摄像头保护镜(64)、支撑固定件组(65),发射保护镜(61)、接收保护镜(62)、接收滤光镜(63)、彩色摄像头保护镜(64)都固定在支撑固定件组(65)上。
4.根据权利要求1所述的振镜模块,其特征在于,所述的振镜模块(2)可为一个二维MEMS旋转振镜、两个一维MEMS旋转振镜组合、两个电机带动的旋转振镜、一个一维MEMS旋转振镜加一个电机带动的旋转振镜的组合,四种方案中的一种,实现激光在二维平面的扫描;振镜模块(2)具有反馈振镜角度反馈单元,监测振镜的振动状态和角度。
5.根据权利要求1所述的激光接收模块,其特征在于,所述的激光接收模块(3)的激光接收传感器是面阵的传感器;外界的点状激光经过激光接收模块的透镜组后,激光将作用在激光接收传感器的像素级感应单元上。
6.根据权利要求1所述的彩色摄像头模块,其特征在于,所述的彩色摄像头模块(4)可包含零个彩色摄像头、一个彩色摄像头、两个彩色摄像头,当包含零个彩色摄像头时,装置只用于进行三维信息的成像。
7.根据权利要求1所述的一种半固态三维彩色成像装置,其特征在于,结合激光三维信息和彩色图像信息能够提供一种有效的远距离三维彩色成像方式,对于近距离的三维彩色图像信息,可通过采用两个彩色摄像头的工作方式实现。
8.根据权利要求1所述的一种半固态三维彩色成像装置,其特征在于,能够结合振镜模块(2)中振镜的偏角信息,判断激光接收模块(3)中激光接收传感器上感应到激光是否本设备发射的激光,从而可直接过滤掉其他设备激光引起的建模偏差噪声。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180529 |