CN108700650A - 用于校准光传播时间摄像机的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种借助于参考面(45)校准和/或评估光传播时间摄像机(1,20)的方法，其中光传播时间摄像机(1，20)具有光传播时间传感器(22)，所述光传播摄像机包括光传播时间像素阵列，其中光传播时间摄像机(1，20)和参考面(45)之间的不同间距由平移间距变化来设置，以校准和/或评估光传播时间摄像机(1，20)，所述方法包括以下步骤：确定第一距离的第一距离数据，确定第二距离的第二距离数据，由第一和第二距离数据计算距离差，基于所计算的距离差来确定光传播时间摄像机(1，20)相对于参考面(45)的取向。

Description

用于校准光传播时间摄像机的装置和方法
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求中指定类型的校准光传播时间摄像机或光传播时间摄像机系统的装置和方法。
背景技术
术语光传播时间摄像机或光传播时间摄像机系统应具体包括所有光传播时间或3D TOF摄像机系统，其从发射和接收的辐射的相移获得传播时间信息。光传播时间或3DTOF摄像机，尤其是如DE 197 04 496 A1中所述的可从“ifm电子有限公司”或“PMD技术有限公司”获得的具有光电检测器(PMD)的PMD摄像机，适合作为O3D摄像机或CamCube。具体地，PMD摄像机允许光源和检测器的具体的灵活地布置，所述光源和检测器可以布置在壳体内或单独布置。
发明内容
本发明的目的是提高光传播时间摄像机系统的距离测量的精度。
该目的通过根据本发明的装置和根据本发明的独立权利要求的方法实现。
有利地，提供一种借助于参考面来校准和/或评估光传播时间摄像机的方法，其中光传播时间摄像机包括光传播时间传感器，光传播时间传感器包括光传播时间像素阵列，其中，为了通过平移距离的变化来校准和/或评估光传播时间摄像机，设置光传播时间摄像机和参考面之间的不同距离，该方法包括以下步骤：
确定第一距离的第一距离数据，
确定第二距离的第二距离数据，
由第一和第二距离数据计算距离差，
基于计算的距离差确定光传播时间摄像机(1，20)相对于参考面(45)的取向。
该方法的优点在于，光传播时间摄像机不需要相对于参考面以高精度对准以进行校准。
本发明还旨在基于距离差计算光传播时间传感器上的参考点，在该参考点的位置处距离差具有最小值。
从所确定的参考点的位置和/或围绕参考点的像素区域来确定光传播时间传感器(22)或光传播时间摄像机(1，20)相对于参考面(45)的取向，并基于所确定的光传播时间传感器(22)的取向来校准和/或评估光传播时间摄像机(1，20)。
如果基于检测到的距离数据和所确定的取向来确定“固定的图案相位噪声”(FPPN)，则是特别有利的。
另一个优点是用于执行上述方法之一的装置。
附图说明
在下文中，参照附图基于示例性实施例更详细地解释本发明。其中：
图1示意性地示出了光传播时间摄像机系统；
图2示出了生成的电荷载流子的调制积分；
图3示出了根据本发明的校准装置。
具体实施方式
在优选实施例的以下描述中，相同的附图标记表示相同或相当的部件。
图1示出了通过使用例如从DE 197 04 496 A1中已知的光传播时间摄像机进行光学距离测量的测量情况。
光传播时间摄像机系统1包括具有照明器件12和相关的光束整形光学器件15的发射单元或照明模块10，以及包括接收光学器件25和光传播时间传感器22的接收单元或光传播时间摄像机20。
光传播时间传感器22包括至少一个传播时间像素，优选地包括至少一个像素阵列，且光传播时间传感器22具体配置为PMD传感器。接收光学器件25通常包括若干光学元件，以改善成像特性。发射单元10的光束整形光学器件15可以形成为例如反射器或透镜光学器件。在非常简单的配置中，如果需要，可以省去接收侧和发射侧的光学元件。
这种布置的测量原理基本上是基于以下事实：可以基于发射光和接收光的相移来确定接收光的传播时间和因此行进的距离。为此，具有基本相位的特定调制信号M0经由调制器30同时施加到光源12和光传播时间传感器22。在所示的示例中，还在调制器30和光源12之间提供了移相器35。借由移相器35，光源12的调制信号M0的基本定相可以通过所定义的定相移动。对于典型的相位测量，优选使用的相位。
根据设定的调制信号，光源12发射具有第一相位p1或的强度调制信号Sp1。在所示的情况下，该信号Sp1或电磁辐射被物体40反射并作为接收信号Sp2入射到光传播时间传感器22上，该接收信号Sp2具有第二相位并由于行进距离而具有相应的相移。调制信号M0在光传播时间传感器22中与接收信号Sp2混合，其中根据结果信号确定相移或物距d。
红外发光二极管优选地适合作为照明源或光源12。当然，也可以想到其他频率范围内的其他辐射源，特别是也可以考虑可见频率范围内的光源。
相位测量的基本原理在图2中示意性地示出。上面的曲线示出了调制信号M0的时间曲线，利用该调制信号M0驱动照明器件12和光传播时间传感器22。从物体40根据其传播时间tL反射的光具有相移并入射到光传播时间传感器22上作为接收信号Sp2。光传播时间传感器22在第一累积栅极Ga中的调制信号M0的相位中以及在第二累积栅极Gb中移相180°的相位M0+180°相位中的若干调制周期累积光子产生的电荷q。根据在第一和第二栅极Ga，Gb中累积的电荷qa，qb的比率，可以确定相移并因此确定物距d。
为了表征2D摄像机系统，通常将这样的摄像机和/或目标布置在线性位移单元上并相对于彼此移动。通常旨在充分照亮目标，例如合适的测试图表，以及相对于目标移动摄像机。这也避免了移动目标照明的需要。
原则上，类似的布置也可用于评估和/或校准距离传感器。对于3D摄像机的测量，优选使用线性位移单元，其在几乎没有耀斑的环境中，正常地，即垂直地，对准已知反射率的平面参考面。几乎没有耀斑意味着测量装置的材料或颜色在相关光谱中是非反射的，通常是近红外光的。待测量的3D摄像机布置在位移单元上，通过将移位单元与摄像机一起移位，摄像机的数据(原始数据)被记录在不同的距离处并被评估。
为了精确评估距离测量中的残余误差和/或为了系统测量误差的校准，例如已知的所谓“摆动”，有必要测量精确的参考值。通过使用上述位移单元或测量轨，这通常意味着摄像机相对于参考面/目标的精确的机械对准。前提条件是位移单元精确地垂直于平面参考面或目标。这种机械对准很复杂并且容易出错。
本发明的基本思想是减少校准/评估摄像机的工作量。
本发明基于以下考虑：如果光传播时间摄像机移动一定距离，例如，1000毫米，应该可以准确地确定与摄像机距离数据的差异。然而，这基本上仅适用于视角通过摄像机镜头正常地与参考面对准的像素。
这种在参考面上具有正交视角的像素的特征在于它具有到参考面的最小距离。由于每个像素具有各自的偏移(“固定的图案相位噪声”(FPPN))，因此最初不可能通过直接测量而无需校准来确定距参考面的距离最小的像素。
根据本发明，提出在不同距离处评估两个(或更多)测量值的差值。在这种差分图像中，FPPN不再存在。位移单元相对于参考面的对准的给定精度确保差分图像中的最小值限定在参考区域上正交视角的像素位置。该像素位置可用于评估由位移单元设定的任何距离处的系统测量误差，例如摆动。
上述方法明确地不需要安装摄像机时的任何特定精度，因此非常稳健并且提供非常高的数据质量。
上述方法还允许借助于摄像机物镜的透镜校准来改进光传播时间传感器的FPPN的校准。通过透镜校准，然后可以确定各个图像像素到参考面上的相应目标点的实际距离。
获得FPPN作为实际距离和测量距离之间的差异。因此，传统校准期间的对准误差导致FPPN校准中的误差。
然而，已经通过根据本发明的方法精确地确定了与表面正交对准的图像中的像素位置。通过使用来自镜头校准的数据，可以确定摄像机相对于参考面的任何可能存在的旋转或取向，并且相应地可以校正确定FPPN的实际距离。
根据本发明的方法可以相同地应用，如果参考面取代摄像机安装在线性位移单元上。
该方法能够实现非常高精度的校准数据，例如摆动和FPPN，而不需要单个摄像机的精确的，复杂的机械对准。仅利用线性位移单元相对于平面测量面的精确对准。
图3示意性地显示了根据本发明的方法。在所示的示例中，光传播时间摄像机20没有平行于物体或参考面45布置。然而，在视场(FOV)的区域中存在正交视角矢量OV，其与参考面的法线平行对准。该正交视角矢量OV对应于光传播时间传感器上的参考点。通过摄像机20的纯粹的平移运动，保持正交视角矢量OV与参考面45的法线的平行对准，且参考点AP在光传播时间传感器上的位置也未改变。参考点基本上具有到参考面的最小(光学)距离。
根据本发明，旨在用于校准以确定距离数据和至少两个距离d1，d2的差异(ij表示传感器阵列中的像素ij)
d12ij＝(d2ij+FPPN)-(d1ij+FPPN)＝d2ij-d1ij。
以已知的方式，通过减法抵消固定的图案噪声。然后可以在所有像素ij上确定深度图像，或者在这种情况下，差分深度图像。
为了确定光传播时间传感器22相对于参考面45的取向，首先确定光传播时间传感器22上的点/参考点，在该点/参考点处距离差d12或者差分深度图像具有最小值。
在可能的实施例中，将具有最小距离差的像素的位置确定为参考点。
然而，特别有利的是基于像素特定的距离差来推断参考点。例如，可以在高度缩放和平滑的差分深度图像中确定距离最小值。这种方法的优点是可以更精确地确定参考点的位置，而与传感器分辨率无关，因此可以更精确地计算光传播时间传感器的取向，并因此，更精确地计算FPPN校正。
为了简洁起见，图3仅示出了光传播时间摄像机20；原则上，当包括摄像机20和照明装置10的整个光传播时间摄像机系统1平移移动时，根据本发明的方法也适用。
附图标记
1 光传播时间摄像机系统
10 照明模块
12 照明器件
20 接收器，光传播时间摄像机
22 光传播时间传感器
30 调制器
35 移相器，照明移相器
40 物体
45 参考面，目标
传播时间相关的相移
定相
基本定相
M0 调制信号
p1 第一相位
p2 第二相位
Sp1 具有第一相位的发射信号
Sp2 具有第二相位的接收信号
Ga，Gb 集成节点
d 物距
q 电荷
FOV 视场
OV 正交矢量

Claims (6)

1.一种借助于参考面(45)校准和/或评估光传播时间摄像机(1，20)的方法，其中所述光传播时间摄像机(1，20)包括光传播时间传感器(22)，所述光传播时间传感器(22)包括光传播时间像素阵列，其中所述光传播时间摄像机(1，20)和所述参考面(45)之间的不同距离由平移距离变化来设置，以校准和/或评估所述光传播时间摄像机(1，20)，所述方法包括步骤：
确定第一距离的第一距离数据；
确定第二距离的第二距离数据；
由所述第一和第二距离数据计算距离差；
基于所计算的距离差来确定所述光传播时间摄像机(1，20)相对于所述参考区域(45)的取向。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述距离差来计算所述光传播时间传感器(22)上的参考点(AP)，在所述参考点(AP)的位置处所述距离差具有最小值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于所确定的参考点(AP)的位置和/或所述参考点周围的像素区域来确定所述光传播时间传感器(22)或光传播时间摄像机(1，20)相对于所述参考面(45)的取向。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，基于检测到的距离数据和检测到的所述光传播时间传感器(22)的取向来校准和/或评估所述光传播时间摄像机(1，20)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，基于检测到的距离数据和所确定的取向来确定“固定的图案相位噪声”(FPPN)。
6.一种用于校准光传播时间摄像机(20)或光传播时摄像机系统(1)的装置，其适于执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法，该装置包括：
位移单元，用于调节所述光传播时间摄像机(1，20)和参考面(45)之间的距离；和
评估单元，用于校准光传播时间摄像机(1，20)，所述评估单元配置成使得基于在不同距离处确定的距离数据来确定所述光传播时间摄像机(1，20)相对于参考面(45)的取向。
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