CN109143252A - Tof深度相机距离校准的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TOF深度相机距离校准的方法及装置，该方法包括：S1，通过延时电路对TOF相机的调制时钟信号进行延时，利用延时后的调制时钟信号驱动光源发出光信号；S2，发出的光信号通过待标定目标反射至TOF相机传感器上的多个像素；S3，对于多个不同的延时量，根据各个像素点和待标定目标之间的理论距离与实际距离建立距离误差校准表；S4，在实际测量中，利用距离误差校准表对各个像素进行距离补偿。本发明的上述技术方案能够解决像素点之间的差异问题，使各个像素点在TOF深度相机的测量范围内保持一致性，能够有效提高TOF深度相机对空间目标测量的准确性。

Description

TOF深度相机距离校准的方法及装置

技术领域

本发明涉及TOF深度相机技术领域，具体来说，涉及一种TOF深度相机距离校准的方法及装置。

背景技术

随着光学测量的发展，基于TOF(Time of Flight，飞行时间)技术的深度相机逐渐成熟，已经在三维测量、手势控制、机器人导航、安防和监控等领域开始应用。TOF技术的基本原理是主动光源发射的调制光经空间目标反射后被传感器接收，通过计算光线发射和反射之间的时间差，最终获取TOF深度相机与空间目标的距离。由于光速是300000km/s，整个飞行时间的测量非常短，厘米级的距离分辨率要求系统具有30皮秒的时间测量精度。要求传感器上所有像素点在每秒几十次的测量过程中保持几十皮秒的时间测量精度具有难度，导致相机的距离测量误差达到几十厘米，因而对相机的校准显得尤为重要。现有技术中，受制造工艺和各像素点工作条件不同的限制，传感器上不同像素点之间存在差异，这是TOF深度相机的主要误差来源之一。

深度传感器上不同像素点存在差异，导致深度相机的距离测量存在偏差，具体来说，像素点之间的差异与下列几种因素密切相关：1)、传感器上像素点温度呈梯度分布，以及各像素点的解调控制信号的时延不同；2)、传感器采用了多个模拟数字转换器，不同转换器的转换特性不同；3)、传感器上各行寻址信号存在不一致性，对信号幅度的测量有影响，会导致各像素点之间距离测量的差异；4)、传感器在制造过程中不同像素点之间存在差异，表现为像素点之间的不一致存在随机性；5)、调制/解调信号与所用的反正切函数不能精确匹配，实际并非是完全的标准波形，还存在直流分量、高次谐波以及非谐信号等。

现有的涉及到TOF深度相机距离校准的方法，一般都是采用由不同反射率材料组成的标准朗伯反射板作为漫反射目标，相机自带的光源对反射率标准板进行照明，漫反射目标在较宽谱段上提供平坦的反射率特性。将某一距离处的测量幅度与积分时间的比值作为标准板在该距离处的反射能力，并按反射率从高到低选取多种不同的标准板，记录不同反射率标准板在该距离处的反射能力及标准板距离测量值与实际距离的误差。在TOF深度相机的测量范围内选取不同的距离进行反射能力和距离误差量的测量，以形成相应的距离校准表。实际目标测量中，根据目标在该位置处的反射能力，选取相应的距离校准表，并通过插值，对各像素点的距离测量值进行补偿。这种距离校准方式对空间以及反射率标准板有一定要求。

也有一种方法是采用光路延迟的方式实现TOF深度相机的距离校准，将TOF深度相机的光源耦合至光纤中，用传输光纤的长度模拟目标与相机的距离，以此降低TOF深度相机距离校准过程中对空间和反射率标准板的要求。采用两组分别由多个扩散板组成的光纤标板，一组是各扩散板透过率相同但连接的光纤长度不同，用于对同一反射率的物体进行距离标定，即在不同距离处校准各像素点的测量误差，另一组是各扩散板透过率不同但连接的光纤长度相同，用于对不同反射率的物体进行误差校准。

目前对于TOF深度相机像素点间差异问题的校准方法，采用反射率标准板或者光纤标板作为基准进行距离校准，根据镜头成像原理，相机传感器上各像素点到标准板的距离不同，同时，受镜头相对照度曲线限制，传感器中心像素点和边缘像素点接收到的照度不同，表现为获得的信号光的幅度不同，这对各像素点的测量结果也有影响。因而，采用现有方法对相机各像素点进行一致性校准时，不仅需要对相机作内参标定，还需对多次不同积分时间的测量结果进行融合处理等，同时还对空间和反射率标准板有要求。若采用传输光纤对TOF深度相机距离校准，则涉及TOF深度相机光源与光纤的耦合、不同长度光纤的选取、特定光纤标板的制作等。这些距离校准方法的校准装置和校准过程都比较复杂。

发明内容

针对相关技术中的TOF深度相机距离校准方法中存在的校准装置和校准过程复杂的问题，本发明提出一种TOF深度相机距离校准的方法及装置，能够解决像素点之间的差异问题，使各个像素点在TOF深度相机的测量范围内保持一致性，能够有效提高TOF深度相机对空间目标测量的准确性。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种TOF深度相机距离校准的方法，包括以下步骤：

S1，通过延时电路对TOF相机的调制时钟信号进行延时，利用延时后的调制时钟信号驱动光源发出光信号；

S2，发出的所述光信号通过待标定目标反射至TOF相机传感器上的多个像素；

S3，对于多个不同的延时量，根据各个像素点和所述待标定目标之间的理论距离与实际距离建立距离误差校准表；

S4，在实际测量中，利用所述距离误差校准表对各个像素进行距离补偿。

根据本发明的实施例，在步骤S2中，利用距离校准箱将发出的所述光信号反射至TOF相机的多个像素；其中，所述距离校准箱包括：第一面板，所述面板具有多个开口，所述多个开口分别暴露TOF相机的各个光源和所述传感器；管体，由所述TOF相机朝向所述待标定目标延伸，所述传感器位于所述管体内部，其中，发出的所述光信号由所述待标定目标反射进入所述管体内部以达到所述传感器，所述待标定目标与所述第一面板相对、且与所述管体间隔设置。

根据本发明的实施例，所述管体的内壁为经过磨砂处理的黑色内壁。

根据本发明的实施例，在步骤S1之前还包括：根据所述TOF相机的测量范围确定所述延时电路的总延时量。

根据本发明的实施例，在步骤S1之前还包括：根据所述TOF相机的测量精度确定延时量的增量，以形成用于建立所述距离误差校准表的多个延时量。

根据本发明的实施例，在步骤S4中，通过插值计算对各个像素进行距离补偿。

根据本发明的实施例，所述传感器至所述待标定目标具有第一距离；当所述延时量为所述延时电路的最小延时量时，各个像素点和所述待标定目标之间的理论距离与所述第一距离以及所述最小延时量相关。

根据本发明的实施例，当所述延时量大于所述延时电路的最小延时量时，各个像素点和所述待标定目标之间的理论距离还与所述延时量的增量相关。

根据本发明的实施例，所述多个不同的延时量是以相同的增量依次递增的。

根据本发明的另一方面，提供了一种TOF深度相机距离校准的装置，包括：

延时电路，用于对TOF相机的调制时钟信号进行延时；

光源驱动电路，利用延时后的调制时钟信号驱动光源发出光信号；

距离校准箱，包括：

第一面板，所述面板具有多个开口，所述多个开口分别暴露TOF相机的各个光源和所述传感器；

管体，由所述TOF相机朝向所述待标定目标延伸，所述传感器位于所述管体内部，其中，发出的所述光信号由所述待标定目标反射进入所述管体内部以达到所述传感器，所述待标定目标与所述第一面板相对、且与所述管体间隔设置；

其中，所述TOF相机根据各个像素点和所述待标定目标之间的理论距离与实际距离建立距离误差校准表，所述距离误差校准表用于在实际测量中对各个像素进行距离补偿。

本发明的有益效果在于：

本发明的上述技术方案，首先通过延时电路对调制时钟信号进行延时，以模拟不同距离处待标定目标对光源发出的光信号的反射，有效降低了对空间的要求；通过延时电路生成不同的延时量，建立不同距离处各像素点的距离误差校准表，在实际测量过程中利用距离误差校准表对像素进行距离补偿，有利于提升TOF深度相机距离测量的准确度。因此，与现有技术相比，本发明的上述技术方案能够对传感器的各个像素点进行一致性校准，从而实现对TOF深度相机的距离校准，提高TOF深度相机距离测量的准确度；

通过设置距离校准箱，可以确保传感器所有像素点的照度和测量距离一致，提高了TOF深度相机各个像素点校准的一致性。通过采用对调制时钟信号进行延时的延时电路和距离校准箱配合使用，可以快速有效地对TOF深度相机进行距离校准补偿。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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例，对于本领域普通技术人员来讲，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。

图1是根据本发明实施例的TOF深度相机距离校准的方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的TOF深度相机距离校准的方法的原理图；

图3是根据本发明实施例的距离校准箱的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1和图2所示，本发明提供了一种TOF深度相机距离校准的方法100，该方法100包括以下步骤：

S10，通过延时电路22对TOF相机的调制时钟信号60进行延时，利用延时后的调制时钟信号60驱动光源28发出光信号；

S20，发出的光信号通过待标定目标50反射至TOF相机传感器24上的多个像素；

S30，对于多个不同的延时量，根据各个像素点和待标定目标50之间的理论距离与实际距离建立距离误差校准表；

S40，在实际测量中，利用距离误差校准表对各个像素进行距离补偿。

本发明的上述技术方案，首先通过延时电路22对调制时钟信号60进行延时，以模拟不同距离处待标定目标50对光源28发出的光信号的反射，有效降低了对空间的要求；通过延时电路22生成不同的延时量，建立不同距离处各像素点的距离误差校准表，在实际测量过程中利用距离误差校准表对像素进行距离补偿，有利于提升TOF深度相机距离测量的准确度。因此，与现有技术相比，本发明的上述技术方案能够对传感器的各个像素点进行一致性校准，从而实现对TOF深度相机的距离校准，提高TOF深度相机距离测量的准确度。

在一个实施例中，多个不同的延时量是以相同的增量依次递增的。也就是说，依次等间隔地增加延时电路22的延时量，来建立不同距离处各个像素点的距离误差校准表。

可以在步骤S10之前，确定延时电路22的参数，该参数包括延时电路22的总延时量和细分的单元延时量(即增量)。在一个实施例中，可以根据TOF相机的测量范围确定延时电路22的总延时量。在一个实施例中，可以根据TOF相机的测量精度确定细分的单元延时量，从而通过细分的单元延时量形成用于建立距离误差校准表的多个延时量。通常，可以采用可编程延时器来实现延时电路22，例如可采用AD公司的AD9501高性能数字可编程延时器。

参考图2所示，在步骤S10处，通过延时电路22对TOF深度相机产生的调制时钟信号60进行延时。TOF深度相机发出的调制时钟信号60同时发送给传感器24和延时电路22，经延时后的调制时钟信号60发送给相机的光源驱动电路26，光源28发出的光信号经由待标定目标50反射后被传感器24接收。例如，设延时电路22的最小延时量为t_min，光速为c，则对应的空间距离为c·t_min/2。

在步骤S20中，参考图3所示，利用距离校准箱30将发出的光信号反射至TOF相机的多个像素。其中，距离校准箱30包括第一面板，第一面板具有多个开口，多个开口分别暴露TOF相机的各个光源28和传感器24。距离校准箱30还包括管体38，由TOF相机朝向待标定目标50延伸，传感器24位于管体38内部，其中，发出的光信号由待标定目标50反射进入管体38内部以达到传感器24。待标定目标50与第一面板相对、且与管体38间隔设置。具体的，距离校准箱30的箱体32可采用黑色聚氯乙烯材料，空间结构为六面长方体，箱体32的前面板34(即第一面板)的开口位置和大小与TOF深度相机的光源28和传感器24相匹配。箱体32的后面板36内侧放置待标定目标50，例如，待标定目标50可采用白色打印纸。管体38可以是采用黑色聚氯乙烯材料形成的空心圆管，其内径大于相机传感器24的尺寸以使传感器24位于管体38内部。优选的，管体38的内壁为经过磨砂处理的黑色内壁。管体38通过箱体32的前面板34固定并置于箱体32中，管体38与箱体32后面板36处的待标定目标50具有一固定距离。相机光源28发出的光信号经箱体32的前面板34暴露光源28的开口后对待标定目标50进行照明，部分被待标定目标50漫反射后的光信号进入管体38，从而对相机传感器24上所有像素点实现均匀照明。

其中，距离校准箱30还可以包括相机固定座39。在对TOF深度相机进行距离校准时，先取下相机的镜头，通过相机固定座39将相机光源28与箱体32的前面板34的暴露光源28的开口紧密贴合，且管体38与传感器24紧密贴合。通过设置距离校准箱30，可以确保传感器24所有像素点的照度和测量距离一致，提高了TOF深度相机各个像素点校准的一致性。通过采用对调制时钟信号进行延时的延时电路22和距离校准箱30配合使用，可以快速有效地对TOF深度相机进行距离校准补偿。

在步骤S30处，可以调节TOF深度相机的积分时间，使信号幅度达到相机传感器正常测量的要求。在一个实施例中，传感器至待标定目标具有第一距离；当延时量为延时电路的最小延时量时，各个像素点和待标定目标之间的理论距离与第一距离以及最小延时量相关。另外，当延时量大于延时电路的最小延时量时，各个像素点和待标定目标之间的理论距离还与延时量的增量相关。

具体的，设相机传感器至待标定目标的距离为d，则对应的相机传感器所有像素点的理论距离均为d+c·t_min/2。记录此时各像素点的实际距离值并建立该距离处实际值与理论值的距离误差校准表ERR₀。将延时电路的延时量分成m个单元延时量，每个单元延时量为Δt，则单元延时量对应的空间距离为c·Δt/2。取n份延时量(1≤n≤m)，对应的相机传感器所有像素点的理论距离为d+c·t_min/2+c·n·Δt/2。记录不同n值时各像素点的实际距离值并建立该距离处实际值与理论值的距离误差校准表ERR_n。

随后方法100进行至步骤S40，通过插值计算对各个像素进行距离补偿。根据不同距离处的距离误差校准表，可以采用插值计算的方法，对TOF深度相机实际测量过程进行距离补偿。例如，假设TOF深度相机的距离测量值为D，则通过以下公式(1)至公式(3)确定需要用到的误差校准表。

a＝trunc(Index) (2)

b＝ERR_a+1 (3)

其中，trunc函数为截尾取整函数。

然后，采用插值处理的方法，对距离测量值为D进行补偿。对距离测量值为D进行补偿计算公式为：

D_comp＝D-[(ERR_b-ERR_a)·(Index-a)+ERR_a]

其中D_comp为补偿后的距离测量值。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种TOF深度相机距离校准的装置，该装置包括：

延时电路，用于对TOF相机的调制时钟信号进行延时；

光源驱动电路，利用延时后的调制时钟信号驱动光源发出光信号；

距离校准箱，包括：

第一面板，面板具有多个开口，多个开口分别暴露TOF相机的各个光源和传感器，待标定目标与第一面板相对、且与管体间隔设置；

管体，由TOF相机朝向待标定目标延伸，传感器位于管体内部，其中，发出的光信号由待标定目标反射进入管体内部以达到传感器；

其中，TOF相机根据各个像素点和待标定目标之间的理论距离与实际距离建立距离误差校准表，距离误差校准表用于在实际测量中对各个像素进行距离补偿。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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TOF深度相机距离校准的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，通过延时电路对TOF相机的调制时钟信号进行延时，利用延时后的调制时钟信号驱动光源发出光信号；

S2，发出的所述光信号通过待标定目标反射至TOF相机传感器上的多个像素；

S3，对于多个不同的延时量，根据各个像素点和所述待标定目标之间的理论距离与实际距离建立距离误差校准表；

S4，在实际测量中，利用所述距离误差校准表对各个像素进行距离补偿。

2.根据权利要求1所述的TOF深度相机距离校准的方法，其特征在于，在步骤S2中，利用距离校准箱将发出的所述光信号反射至TOF相机的多个像素；

其中，所述距离校准箱包括：

第一面板，所述面板具有多个开口，所述多个开口分别暴露TOF相机的各个光源和所述传感器；

管体，由所述TOF相机朝向所述待标定目标延伸，所述传感器位于所述管体内部，其中，发出的所述光信号由所述待标定目标反射进入所述管体内部以达到所述传感器，所述待标定目标与所述第一面板相对、且与所述管体间隔设置。

3.根据权利要求2所述的TOF深度相机距离校准的方法，其特征在于，所述管体的内壁为经过磨砂处理的黑色内壁。

4.根据权利要求1所述的TOF深度相机距离校准的方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括：

根据所述TOF相机的测量范围确定所述延时电路的总延时量。

5.根据权利要求1所述的TOF深度相机距离校准的方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括：

根据所述TOF相机的测量精度确定延时量的增量，以形成用于建立所述距离误差校准表的多个延时量。

6.根据权利要求1所述的TOF深度相机距离校准的方法，其特征在于，在步骤S4中，通过插值计算对各个像素进行距离补偿。

7.根据权利要求5所述的TOF深度相机距离校准的方法，其特征在于，其中，所述传感器至所述待标定目标具有第一距离；

当所述延时量为所述延时电路的最小延时量时，各个像素点和所述待标定目标之间的理论距离与所述第一距离以及所述最小延时量相关。

8.根据权利要求7所述的TOF深度相机距离校准的方法，其特征在于，当所述延时量大于所述延时电路的最小延时量时，各个像素点和所述待标定目标之间的理论距离还与所述延时量的增量相关。

9.根据权利要求1所述的TOF深度相机距离校准的方法，其特征在于，其中，所述多个不同的延时量是以相同的增量依次递增的。

10.一种TOF深度相机距离校准的装置，其特征在于，包括：

延时电路，用于对TOF相机的调制时钟信号进行延时；

光源驱动电路，利用延时后的调制时钟信号驱动光源发出光信号；

距离校准箱，包括：

第一面板，所述面板具有多个开口，所述多个开口分别暴露TOF相机的各个光源和所述传感器；

管体，由所述TOF相机朝向所述待标定目标延伸，所述传感器位于所述管体内部，其中，发出的所述光信号由所述待标定目标反射进入所述管体内部以达到所述传感器，所述待标定目标与所述第一面板相对、且与所述管体间隔设置；

其中，所述TOF相机根据各个像素点和所述待标定目标之间的理论距离与实际距离建立距离误差校准表，所述距离误差校准表用于在实际测量中对各个像素进行距离补偿。