CN108401098A - 一种tof深度相机系统及其降低外部误差的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TOF深度相机系统及其降低外部误差的方法，包括发光LED，所述发光LED上设有遮光格栅，所述遮光格栅上设有遮光部分与透光部分组合而成的图形。深度感光传感器阵列像素点接收到由发光LED发射通过被测场景表面反射的近红外光以及外部环境近红外光，通过计算相位差将其转化为深度信息，通过由后向散射光、经过多次漫反射光以及环境光叠加的像素点的光波路径长度以及周围的经过多次漫反射光以及环境光叠加的像素点的光波路径长度估算后向散射光的光波路径长度，排除环境光以及经过多次漫反射光引起的误差。

Description

一种TOF深度相机系统及其降低外部误差的方法
技术领域
本发明属于深度图像信息提取、处理及识别技术领域，特别是一种TOF深度相机系统及其降低外部误差的方法。
背景技术
TOF (Time of Flight) 深度相机是一种通过测量发射的光学信号在空间中飞行的时间从而计算得到外部测量场景的深度信息的系统。一个典型的TOF深度相机系统如图1所示，其中，信号发生器8产生固定频率的近红外光信号，通过调制器7进行调制，其后输送至发光LED的驱动电路6用来驱动发光LED 2，2可以是近红外LED (Infrared-Red LED, IRLED)或激光LED (Laser Diode, LD)，发光LED 2向外部测量场景发射近红外光，光波通过射出路径4被发射到外部场景，场景表面为不规则平面，光波信号在其表面发生镜面反射及漫反射，其中，大部分经过漫反射的反射信号都离开了透镜3的捕捉范围，而大部分后向散射光波信号通过反射路径5被透镜3捕捉，从而传输到深度感光传感器1，深度感光传感器1接收到反射的光波信号后经过A/D转换后输送到信号处理单元9，在信号处理单元9中，将发射的光波信号与接收的反射信号进行比较，得到他们的相位差，便根据信号的频率可知光波经过一个发射-反射路径经过的时间，从而根据光速计算得到各个像素点，即对应实际三维空间中的深度信息。
TOF深度相机系统测量深度信息过程中存在两类误差，使得测量不准确，一类是内部叠加误差，另一类是外部叠加误差。内部叠加误差主要由曝光误差、边缘叠加误差等组成。内部叠加误差主要由深度相机内部精度、材质等自身性质带来，可通过矫正、滤波等方法有效降低。而外部叠加误差是一种公认很难消除的误差，主要由外部被测物体结构带来，是随机、动态、毫无规律的。外部叠加误差问题如图2所示。发光LED2向外部测量场景发射光波，外部场景与TOF深度相机发射的光波信号非垂直，而是与光波信号保持一定的夹角，外部场景自身呈90°夹角。深度感光传感器包含感光阵列传感器，取其中的一个深度感光传感器12用来说明。深度感光传感器12接收由发光LED2发射的经过外部场景折射后的光波信号从而得到外部场景在此点的深度信息。
在测量深度信息过程中，虽然大部分经过外部场景表面漫反射的光波信号没有被透镜捕捉，但在图2所示的情况中，发光LED2发射的光波信号甲路径14是正确的直接被外部场景反射的后向散射信号，但一些光波信号却经过乙路径13在外部场景表面经过了两次镜面反射后被深度感光传感器12捕捉，叠加在直接反射的光波信号中从而得到了错误的光波信号。在实际更复杂的外部场景表面，可能发生更多次折射，使得外部叠加误差问题更严重。叠加得到的经过多次折射的错误光波信号使得深度感光传感器得到的深度信息包含误差，使得深度感光传感器认为外部场景15的表面是在具有外部叠加误差的被测像素点上有凸起16。更加严重的情况是，在有多个叠加误差经过多次反射于一个被测像素点时，超过了该点的光强接收能力，使得其光饱和，表现为曝光过度。在有很多像素点经过多次反射测量其深度信息时，由于正确深度信息被叠加上多余错误多次反射深度信息，使得所有测量深度信息均比实际值大，从而使得TOF深度相机测量的场景变为错误测量场景17，而不是真实的外部场景15，错误测量场景17距离更远，且其夹角也大于真实的90°。
一种解决方案是通过光线跟踪更新经过多次漫反射回到深度感光传感器的点云像素。此种方法的计算复杂度通常与点云数的二次方成正比，可通过迭代的方法求解，但其计算量很大，通常无法做到实时求解，信号处理时间一般都在1-10分钟。这使得此种方法多停留在理论阶段难以得到应用。
另外一种解决方案是基于多个经过调制频率的发射光信号，通过不同的调制频率得到正确的深度信息。如通过柯西分布来近似后向散射光，此方法通常需要4个调制频率。此方法的主要缺点是仍然需要增加多个调制频率，且通常得到的分辨率较低。
目前，需要一种有效的可在不增加很大的计算量、不增加很高的硬件复杂度的情况下实用的解决方案，用来解决TOF深度相机系统中存在的外部叠加误差问题，使得探测的深度场景更符合实际场景。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提供一种TOF深度相机系统及其降低外部误差的方法，一种可在不增加TOF硬件复杂度、只增加少量软件信号处理复杂度的情况下有效解决TOF深度相机中外部叠加误差问题的方案，使得采用TOF深度相机测量外部被测场景时得到更加符合真实场景的深度信息。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：一种TOF深度相机系统，包括发光LED，所述发光LED上设有遮光格栅，所述遮光格栅上设有遮光部分与透光部分组合而成的图形。
上述技术方案中，优选的，所述透光部分被所述遮光部分分割成均匀分布的方格。
上述技术方案中，优选的，所述透光部分被所述遮光部分分割成均匀分布的正三角形。
上述技术方案中，优选的，所述TOF深度相机系统还包括驱动电路、调制器、信号处理单元、透镜和深度感光传感器。
一种TOF深度相机系统降低外部误差的方法， 1、将设有所述遮光部分与所述透光部分组合而成的图形的遮光格栅覆盖在发光LED表面使得从发光LED发射的光波被分成有光部分和无光部分，在外部测量场景上投影出特定的明暗图形；2、深度感光传感器阵列像素点接收到由发光LED发射通过被测场景表面反射的近红外光以及外部环境近红外光，通过计算相位差将其转化为深度信息，同时得到光强、置信度、噪声；3、通过置信图及噪声图判断接收信号的光强是否被极大的减弱来判断该像素点是否为仅仅捕捉到经过多次漫反射近红外光以及外部环境光叠加的误差信号的像素点，从而分离出由后向散射光、经过多次漫反射光以及环境光叠加的像素点及经过多次漫反射光以及环境光叠加的像素点；4、通过由后向散射光、经过多次漫反射光以及环境光叠加的像素点的光波路径长度以及周围的经过多次漫反射光以及环境光叠加的像素点的光波路径长度估算后向散射光的光波路径长度，排除环境光以及经过多次漫反射光引起的误差。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：只需要在发光LED表面增加一个遮光格栅从而使得被测场景表面产生明暗相间的图案，硬件成本极低；在软件上仅需要搜索深度图的尖峰点从而迅速得到外部叠加误差信号的信息，然后可将误差信号有效的从正确深度信号中去除，软件计算量极低。同时可利用置信图和噪声图辅助的进行误差信息的判断，增强了系统鲁棒性、误差判断的准确性。信号处理速度极快，可有效进行实时场景的应用如手势识别，动态跟踪等应用。
附图说明
图1为本发明背景技术的TOF深度相机基本工作原理。
图2为本发明背景技术的测距原理示意图。
图3为本发明实施例中遮光格栅的结构示意图。
图4为本发明实施例中的测距原理示意图。
图5为本发明实施例中遮光格栅中单个方格的示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细描述：参见图1至图5，一种TOF深度相机系统，其基本原理与图1所示相同，包括驱动电路6、调制器7、信号发生器8、信号处理单元9、透镜3、深度感光传感器1，发光LED2，区别之处如图4所示，该发光LED1上设有遮光格栅，所述遮光格栅上设有遮光部分与透光部分组合而成的图形。
将遮光格栅覆盖在发光LED表面，使得从发光LED发射的光波被分成两部分，通过透光部分的光波保持不变，通过遮光部分的光波光强被减至0，则照射在被测场景表面的光波被遮光格栅分割成的明暗部分包含不同的光强。通过被测物体表面直接反射的后向散射近红外光通过被测场景的明亮部分，即透光部分中，经过被测场景表面漫反射的一些近红外光通过了被测场景表面暗色的部分，其光强被减弱，另外一些经过被测场景表面漫反射的近红外光恰好经过的均是遮光格栅小方格中的明亮部分，然后叠加在后向散射光上被深度感光传感器捕捉。通过辨认出仅仅捕捉到经过多次漫反射的近红外光以及环境光的像素点，从而分离捕捉到后向散射光、经过多次漫反射光以及环境光叠加的像素点及仅捕捉到经过多次漫反射光以及环境光的像素点。
深度感光传感器阵列像素点接收到由发光LED发射、通过被测场景表面反射的近红外光，通过计算相位差将其转化为深度信息，同时得到光强、置信度、噪声等其他信息。在一些接收到后向散射光、经过多次漫反射光以及环境光叠加的像素点上，深度信息是包含了外部叠加误差的。在接收到经过多次漫反射光以及环境光叠加的像素点上，其对应的深度信息是由多次漫反射路径以及环境光带来的，在深度图上会出现深度尖峰，通过辨认这些深度尖峰可得到误差信号的信息，在接收到正确深度信息及错误外部叠加误差信息的像素点上减去误差信号，可得到正确的深度信息。
在误差信号的辨认中，由于其经过了遮光格栅中的遮光部分，导致其光强被减弱，则除了判断深度图上的尖峰，也可采用置信图及噪声图判断接收信号的光强是否被极大的减弱来判断其是否为接收误差信号的像素点。
TOF深度相机系统通常采用发光LED发射近红外光，根据成本的不同可采用IR LED或LD。由于光敏半导体的光敏感性在850nm达到峰值，通常采用此波长作为发射的近红外光波长。另由于环境光中位于940nm左右波长的成分最少，所以在一些室外应用场景中也有采用940nm近红外波长。发光LED向外部被测场景发射光波，光波的频率决定了可被测量的最远距离。
参见图3，一个典型遮光格栅22，透光部分18被所述遮光部分19分割成均匀分布的方格，当然透光部分18也可以是等边三角形、圆形、矩形等各种形状。遮光部分19可以是由暗色遮挡薄膜组成，也可以是由其他遮挡物组成。
参见图4，遮光格栅22被放置于发光LED 22前，使得通过发光LED发射的光波通过遮光格栅22，在外部测量场景31上投影出特定的明暗图形，其中小方格中为明亮部分，通过此部分的光波光强不变，其余部分为暗色部分，通过其中的光波光强被减弱。发光LED通过遮光格栅发射的光波在被测场景中投影的遮光格栅明暗形状并非任何实际存在的物体或流体，而仅仅是明暗的图形，且所述的明暗仅仅代表相对的光强，实际发射的近红外光并非可见光。被测物体表面的明暗图案也肉眼不可见。
深度感光传感器1取其中的第一像素点24和第二像素点30来说明方案，第一像素点24为接收到直接反射的后向散射近红外光与经过多次漫反射的近红外光以及环境光叠加的像素点，第二像素点30为接收到经过了遮光格栅透光部分的经过多次漫反射的近红外光以及环境光叠加的像素点。深度感光传感器每一个像素点对应于外部被测场景中反射的光波信号，深度感光传感器的所有像素点均具有所展示的第一像素点24和第二像素点30所具有的特征，相邻的像素点具有接收相似经过多次漫反射的近红外光和环境光的特征。
发光LED 22发出的光线经过透光部分18直接打在物体表面形成明亮小方格29并反射的后向散射光27、第一通过多次漫反射的近红外光25以及环境光在第一像素点24中叠加，影响了第一像素点24中测量的深度信息，使得其认为外部场景31的深度为32所示。与第一像素点24相邻的第二像素点30接收到的是发光LED 22发出的光线经过透光部分之后再第二通过多次漫反射的近红外光26以及环境光的叠加，其原理类似于站在路灯下的人身后的背影中并无路灯直接发射的光线，但其背影却并非全黑，原因在于有周边经过漫反射的灯光反射在了黑暗的部分。由于第二像素点30仅接收到了经过多次漫反射的光波以及环境光，则其深度信息是完全的错误深度信息33，表现为在深度图中的尖峰像素点，利用此，可将外部叠加误差对应的像素点找到。
第一像素点24与第二像素点30接收到对应的深度信息后，同时得到了对应的置信度及噪声。深度图中出现的尖峰像素点可被找到，其包含的信息均为外部叠加误差信号。当外部测量场景自身包含真实的深度落差大、深度尖峰等时，可同时采用置信图及噪声图寻找外部叠加误差像素点，因经过暗色部分28的光强被减弱，利用置信图和噪声图可提高寻找外部叠加误差的精度及鲁棒性。
为了得到正确的深度信息，在辨认得到外部叠加误差信号后，由于第一像素点24距离第二像素点30很近，第一像素点24中的外部叠加误差信号和第二像素点30中的外部叠加误差信号光波飞过的距离相差不大，基本可认为相同，则第二像素点30得到的外部叠加误差可被用来从第一像素点24中剔除外部叠加误差信号得到正确的深度信息。注意到所述的剔除并非指加减，通常深度信息包含复杂的数值，且在第一像素点24中正确信号和误差信号的叠加也并非线性，从中剔除误差深度信息需要用到滤波等方法。
遮光格栅的小方格越密集，得到的误差信号越接近真实漫反射的近红外光走过的路径，效果也就越好。但通常在实际中，由于TOF相机测距通常在10m以内，打在遮光格栅不同暗色部分的经过多次漫反射的光波走过的路径相差并不大，在信号处理中并不需要寻找到所有接收到包含多次漫反射的光以及环境光的叠加光的像素点，即并不需要寻找到像素点的所有深度尖峰，通过寻找一些具有代表性的即可。图5表示利用遮光格栅投影在外部场景中的小方格顶点的反射光路径长度可估算折射在亮色部分34中的反射光路径长度。暗色部分35的顶点经过多次漫反射的近红外光以及环境光的叠加路径为36、37、38、39，利用这些路径长度可有效估计经过多次漫反射折射在明亮小方格内的光波路径长度（可利用概率分布等方法估计），假设发射的光波在遮光格栅上均匀分布，设折射在小方格暗色部分顶点的近红外光路径以及环境光路径的叠加长度分别为L 36 ,L 37 ,L 38 ,L 39 ,则经过多次漫反射折射在明亮小方格内的光波路径长度可被估计为（L 36 ,L 37 ,L 38 ,L 39 ）/4。则此估计的路径为打在小方格内所有外部叠加误差信号的路径。之所以采用小方格四个顶点的近红外光路径，是因为发光源并不一定位于小方格正前方。小方格内亮色部分34代表所有在此折射的光波均可被路径36、37、38、39估计。利用此方法可有效降低计算量，并得到比较准确的结果。

Claims (5)

1.一种TOF深度相机系统，包括发光LED（2），其特征在于：所述发光LED（2）上设有遮光格栅（22），所述遮光格栅（22）上设有遮光部分（19）与透光部分（18）组合而成的图形。
2.如权利要求1所述的一种TOF深度相机系统，其特征在于：所述透光部分（18）被所述遮光部分（19）分割成均匀分布的方格。
3.如权利要求1所述的一种TOF深度相机系统，其特征在于：所述透光部分（18）被所述遮光部分（19）分割成均匀分布的正三角形。
4.如权利要求1所述的一种TOF深度相机系统，其特征在于：所述TOF深度相机系统还包括驱动电路（6）、调制器（7）、信号发生器（8）、信号处理单元（9）、透镜（3）、深度感光传感器（1）。
5.如权利要求1所述的一种TOF深度相机系统的降低外部误差的方法，其特征在于：1、将设有所述遮光部分与所述透光部分组合而成的图形的遮光格栅覆盖在发光LED表面使得从发光LED发射的光波被分成有光部分和无光部分，在外部测量场景上投影出特定的明暗图形；2、深度感光传感器阵列像素点接收到由发光LED发射通过被测场景表面反射的近红外光以及外部环境近红外光，通过计算相位差将其转化为深度信息，同时得到光强、置信度、噪声；3、通过置信图及噪声图判断接收信号的光强是否被极大的减弱来判断该像素点是否为仅仅捕捉到经过多次漫反射近红外光以及外部环境光叠加的误差信号的像素点，从而分离出由后向散射光、经过多次漫反射光以及环境光叠加的像素点及经过多次漫反射光以及环境光叠加的像素点；4、通过由后向散射光、经过多次漫反射光以及环境光叠加的像素点的光波路径长度以及周围的经过多次漫反射光以及环境光叠加的像素点的光波路径长度估算后向散射光的光波路径长度，排除环境光以及经过多次漫反射光引起的误差。
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