CN109597091A - Tof测距的相位解包裹的方法及tof测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种TOF测距的相位解包裹的方法及TOF测距系统，对于探测到反射光波的探测面上的每个像素点，待求的包裹次数由多个测距误差值小于一阈值算得，所述阈值与多频测距精度差异有关。多频测距误差值的搜索第一次序为邻域像素点的包裹次数，第二次序为有效包裹次数的组合。有效的包裹次数的组合是由多频测距时频率低的包裹次数不应低于频率高的包裹次数这一原则决定，从而大大减少了相位解包裹的计算量。

Description

TOF测距的相位解包裹的方法及TOF测距系统

技术领域

本发明涉及测距技术领域，尤其涉及一种TOF测距的相位解包裹的方法及TOF测距系统。

背景技术

TOF相位法测距是指通过飞行时间法(Time of Flight)进行非接触式测距，通过发射连续的调制光波，调制光波在光路上传播一个周期的距离，相位就延迟2π，已知光速c，因此只要测出不足一个周期的相位差φ，即可根据该调制光波在待测距离D上往返一次所形成的相位差φ得出待测距离D。

然而对于一种调制光波来说，其测量的最远距离是有限的，如果实际测量距离超过最远距离就会发生相位差包裹。为了扩大测距范围，在实际应用时会使用两个或多个不同频率的调制光波，使用两个或多个不同频率的调制光源测距时需要相位解包裹，但是在现有的相位解包裹方法计算量大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种TOF测距的相位解包裹的方法及TOF测距系统，以减小TOF测距时进行相位解包裹的计算量。

为了达到上述目的，本发明提供了一种TOF测距的相位解包裹的方法，包括：

S1：采用不同频率的若干调制光波照射至少一个对象并获取对应的若干反射光波，对探测到所述反射光波的探测面上的第一个像素点执行步骤S2；

S2：根据若干所述反射光波获取每个所述调制光波对应的相位差，并根据所述相位差得到对应每个所述调制光波的测量距离公式，并执行步骤S3；

S3：将每个所述测量距离公式在一搜索空间内依次赋值得到的每组测量距离中的若干测量距离两两进行相减，出现差值的绝对值的最大值小于或等于一阈值的赋值即为包裹次数，终止赋值并执行步骤S4；

S4：对下一个像素点依次执行步骤S2和步骤S3以进行相位解包裹，直至得到所有像素点的包裹次数。

可选的，所述搜索空间为TOF测距中所有有效包裹次数的组合，所述有效包裹次数中频率低的包裹次数大于等于频率高的包裹次数。

可选的，所述测量距离公式d_i＝d_1i+d_2i，d_1i为相移距离且d_2i为包裹距离且其中，c为光速，f_i为调制光波i的频率，φ_i为相位差，m_i为包裹次数。可选的，所述步骤S3包括：

S31：在所述搜索空间内对m₁、m₂...m_i...开始赋值，以得到一组测量距离{d₁、d₂...d_i....}，并执行步骤S32；

S32：将一组测量距离中的若干测量距离d₁、d₂...d_i....两两进行相减，得到差值的绝对值的最大值小于或等于所述阈值，则此次赋值为包裹次数，终止赋值并执行步骤S4，若得到差值的绝对值的最大值大于所述阈值，则执行步骤S31。

可选的，所述阈值为每两个所述调制光波之间测距误差的最大值。

可选的，在步骤S4中，对下一个像素点依次执行步骤S2之后，执行步骤S3之前，所述TOF测距的相位解包裹的方法还包括：

S41：将下一个像素点任一邻域像素点的包裹次数带入下一个像素点的若干测量距离公式中，以得到一组测量距离；

S42：将一组测量距离中的若干测量距离两两进行相减，若差值的绝对值的最大值小于或等于所述阈值，则所述邻域像素点的包裹次数作为下一个像素点的包裹次数，若差值的绝对值的最大值大于所述阈值，则执行步骤S3。

可选的，将每个像素点对应的频率最大者的测量距离或者若干测量距离的平均值作为该像素点探测到的距离。

本发明还提供了一种TOF测距系统，包括光源模块、光探测模块及计算模块，所述光源模块发出若干不同频率的调制光波，若干所述调制光波照射至少一个对象，所述光探测模块接收所述对象反射的若干反射光波，所述计算模块采用所述TOF测距的相位解包裹的方法对探测到所述反射光波的探测面上的每个像素点进行相位解包裹。

可选的，所述光探测模块的探测面上具有若干阵列分布的像素点。

可选的，所述光源模块包括调频单元，通过所述调频单元对所述光源模块发出的光波进行调频以形成不同频率的若干调制光波，且所述调制光波的调制频率越高，测量分辨率越高，最大测量距离越短。

在本发明提供的TOF测距的相位解包裹的方法及TOF测距系统中，对于每个像素点，都在一搜索空间内依次对包裹次数赋值，将得到的每组测量距离中的若干测量距离两两进行比较，出现差值的绝对值的最大值小于或等于一阈值的赋值即为所述测量距离的包裹次数，得到包裹次数后就终止赋值，通过设定一个阈值确定了赋值的终止条件，从而大大减少了相位解包裹的计算量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的TOF测距的相位解包裹的流程图；

图2为本发明实施例提供的不同包裹次数对应的测量距离的对比图；

图3为本发明实施例提供的相位解包裹方向的示意图；

图4为本发明实施例提供的TOF测距系统的结构框图；

其中，附图标记为：

1-光源模块；2-光探测模块；3-计算模块。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本发明提供了一种TOF测距的相位解包裹的方法，包括：

S1：采用若干不同频率的调制光波照射至少一个对象并获取若干反射光波，对探测到所述反射光波的探测面上的第一个像素点执行步骤S2；

S2：根据若干所述反射光波获取每个所述调制光波对应的相位差，并根据所述相位差得到对应每个所述调制光波的测量距离公式，并执行步骤S3；

S3：将每个所述测量距离公式在一搜索空间内依次赋值得到的每组测量距离中的若干测量距离两两进行相减，出现差值的绝对值的最大值小于或等于一阈值的赋值即为包裹次数，终止赋值并执行步骤S4；

S4：对下一个像素点依次执行步骤S2和步骤S3以进行相位解包裹，直至得到所有像素点的包裹次数。

具体的，首先，采用不同频率的若干调制光波照射至少一个对象以获取若干反射光波，即采用若干不同频率的调制光波{I₁、I₂...I_i....}去照射至少一个对象以获取若干反射光波{I_S1、I_S2...I_Si....}，设若干不同频率的调制光波的调制频率分别为{f₁、f₂...f_i....}，本实施例中，f₁、f₂...f_i....按照大小顺序依次排列的，例如按照从小到大的顺序排列，即f₁<f₂...<f_i...，若干调制光波测量的最远距离分别为其中，c为光速；光探测模块去依次接收若干反射光波，对于每个像素点来说，由于每个调制光波的频率均不同，一个有效相位周期对应的测距距离也不同，所以每个调制光波会产生不同的相位差，设若干调制光波对应的相位差分别为{φ₁、φ₂...φ_i....}，则通过所述相位差可以得到对应每个调制光波的相移距离

进一步，由于多个不同频率的调制光波测距时会产生相位包裹，所述测量距离为相移距离d_1i及包裹距离d_2i的总和，即d_i＝d_1i+d_2i，可以理解的是，对应每个调制光波的包裹距离为其中，{m₁、m₂...m_i....}为对应每个调制光波的包裹次数。而测量距离公式所以，只需要求出包裹次数{m₁、m₂...m_i....}即可解包裹。

可以理解的是，对于一个确定的TOF测距系统来说，通过每个调制光波计算出的测量距离理论上是相等的，但是由于TOF测距系统检测相位差φ_i的精度是确定的，所以调制光波的调制频率越高，一个有效相位周期对应的距离越短，距离分辨率会越高；反之，调制光波的调制频率越低，一个有效相位周期对应的距离越长，距离分辨率会越低，因此，低调制频率测试得到的测试距离的精度低于高调制频率测试的到的测试距离的精度，即每个调制光波计算出的测量距离会因为距离分辨率不同而产生一个测量误差。这个测量误差可以是根据多次实验得到的经验值，且两个调制光波的调制频率不同，则测量误差可能是不同的，因此，可以根据这个测量误差设定阈值。例如，一TOF双频测距系统的f₁＝80MHz、f₂＝60MHz，通过实验发现测量误差最大为0.3m，则对于该TOF双频测距系统来说，阈值可以设定为0.3。

进一步，如图2所示，对于双频测距系统来说，已知调制频率为f₁和f₂的两个调制光波测距的包裹次数分别为a和b，从图2中可看出，只有当正确解包裹时，两个调制光波对应的测量距离几乎重合(因为存在测量误差所以并未完全重合)，而在其他包裹次数下，两个调制光波的测量距离差距非常大(远大于测量误差/阈值)，所以采用穷举法举尽所有可能的有效包裹次数的组合S，再将所有有效包裹次数的组合S对应的测量距离均计算出来，再两两进行比较以寻找误差最小的测量距离以得到正确的包裹次数的方法是不必要的，因为正确的包裹次数本身就是误差最小的(仅存在测量误差)。

进一步，对于不同频率的调制光波来说，其频率越高，测距范围也就越小，包裹次数理论上来说应该越大，所以，本实施例中的搜索空间为所有有效包裹次数的组合S’，其中，所述有效包裹次数的组合S’中频率低的包裹次数大于或等于频率高的包裹次数，以保证每次赋给频率低的调制光波的包裹次数是大于赋给频率高的调制光波的包裹次数的，例如，f₁<f₂...<f_i...，对应的m₁≥m₂...≥m_i....。具体的，上述TOF双频测距系统两个调制光波的频率分别为f₁＝80MHz、f₂＝60MHz，f₁＝80MHz的调制光波可能的包裹次数为0、1、2、3，f₂＝60MHz的调制光波可能的包裹次数为0、1、2、3、4，则此TOF双频测距系统按照穷举法得到的有效包裹次数的组合S有20种，而有效包裹次数的组合S’仅有8种。相较于通过穷举得到有效包裹次数的组合S来说，本实施例中的有效包裹次数的组合S’更少，通过压缩搜索空间可以大大减少相位解包裹的计算量

可以理解的是，对于光探测模块来说，其探测面是由阵列分布的若干像素点构成的，所述反射光波到达所述探测面后，所述探测面上的每个像素点接受到的所述反射光波的相位差可能不相同，所以每个像素点上的包裹次数也可能不相同，所以对于每个像素点均需要单独进行相位解包裹。本实施例中，首先对第一个像素点进行相位解包裹计算，所述第一个像素点探测到的测量距离公式为开始在所述搜索空间内对包裹次数{m₁、m₂...m_i....}进行赋值。具体的，首先令{m₁、m₂...m_i....}等于{0、0...0...}，得出一组测量距离{d₁、d₂...d_i....}，然后将d₁、d₂...d_i...中两两相减(每两个测距距离之间均做差)，例如依次求出|d₁-d₂|、|d₂-d₃|、|d₁-d₃|...，然后找出这些差值的绝对值的最大值，判断差值的绝对值的最大值是否小于或等于所述阈值，若是，则{0、0...0...}即为正确的包裹次数，并停止赋值，若否，则令{m₁、m₂...m_i....}等于{1、0...0...}，得出下一组测量距离{d₁、d₂...d_i....}进行比较直至找到正确的包裹次数，包裹次数{m₁、m₂...m_i....}进行赋值时，一旦得到正确的包裹次数后即停止赋值，从而不需要对每组可能的包裹次数均进行测量距离的计算及后续的判断，大大减小了计算量，明显提高了计算速度。

本实施例中，沿着S形对所述像素点逐一进行相位解包裹，以使相邻两次相位解包裹是针对相邻的像素点。可选的，如图3所示，以3*3的像素矩阵为例，在计算了第一个像素点后，可以沿着x₁或者x₂的方向逐一对每个像素点进行相位解包裹，直至所有的像素点均计算出了正确的包裹次数，当然，其他实施例中，还可以逐行对每个像素点进行相位解包裹，只要保证对下一个像素点进行相位解包裹时其任一邻域像素点已经被解了包裹。

进一步，由于所述对象存在的场景可看作若干对象的组合，同一对象内部深度连续变化，不同对象之间只在边缘像素存在深度跳跃变化，所以连续的像素点之间的包裹次数很大几率是相等的。所以，在计算一个像素点的包裹次数时，可以将其任一邻域像素点(已被解包裹)的包裹次数带入该像素点的测量距离公式中，判断邻域像素点的包裹次数是否是该像素点的正确包裹次数。例如，在对第一个像素点进行相位解包裹后得到的包裹次数为{3、2...1...}，将{3、2...1...}带入第二个像素点的测量距离公式中得到一组测量距离，然后再判断这组测量距离中的若干测量距离两两进行相减的差值的绝对值的最大值是否小于或等于所述阈值，若是，则{3、2...1...}即为第二个像素点的包裹次数，若否，则再重新用在搜索空间内赋值以找到包裹次数，在对第三个像素点进行相位解包裹时，也首先将第二个像素点的包裹次数带入，这样每次计算下一个像素点的包裹次数时，都将任一邻域像素点的包裹次数带入，除了在不同对象的交界上需要重新用搜索空间赋值之外，对于同一个对象来说均不需要重新赋值，从而进一步减小了计算量。

本实施中，每个像素点相位解包裹完成后，对于每个像素点来说均有一组测量距离，可以将频率最大者的测量距离或者若干测量距离的平均值作为该像素点探测到的距离。

基于此，本发明还提供了一种TOF测距系统，包括光源模块1、光探测模块2及计算模块3，所述光源模块1发出若干不同频率的调制光波，若干所述调制光波照射至少一个对象，所述光探测模块2接收所述对象反射的若干反射光波，所述计算模块3采用所述TOF测距的相位解包裹的方法对探测到所述反射光波的探测面上的每个像素点进行相位解包裹。

可选的，所述光探测模块2可以是一CMOS或CCD，所述光探测模块2的探测面上具有若干阵列分布的像素点，每个像素点均能够独立的探测所述反射光波，以使计算模块3能够计算出每个所述像素点均能得到场景内的深度信息。

综上，在本发明实施例提供的TOF测距的相位解包裹的方法及TOF测距系统中，对于每个像素点，都在一搜索空间内依次对包裹次数赋值，将得到的每组测量距离中的若干测量距离两两进行比较，出现差值的绝对值的最大值小于或等于一阈值的赋值即为所述测量距离的包裹次数，得到包裹次数后就终止赋值，通过设定一个阈值确定了赋值的终止条件，从而大大减少了相位解包裹的计算量。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种TOF测距的相位解包裹的方法，其特征在于，包括：

S1：若干不同频率的调制光波照射至少一个对象并获取若干反射光波，对探测到所述反射光波的探测面上的第一个像素点执行步骤S2；

S2：根据若干所述反射光波获取每个所述调制光波对应的相位差，并根据所述相位差得到对应每个所述调制光波的测量距离公式，并执行步骤S3；

S3：将每个所述测量距离公式在一搜索空间内依次赋值得到的每组测量距离中的若干测量距离两两进行相减，出现差值的绝对值的最大值小于或等于一阈值的赋值即为包裹次数，终止赋值并执行步骤S4；

S4：对下一个像素点依次执行步骤S2和步骤S3以进行相位解包裹，直至得到所有像素点的包裹次数。

2.如权利要求1所述的TOF测距的相位解包裹的方法，其特征在于，所述搜索空间为TOF测距中所有有效包裹次数的组合，所述有效包裹次数的组合中频率低的包裹次数大于或等于频率高的包裹次数。

3.如权利要求1或2所述的TOF测距的相位解包裹的方法，其特征在于，所述测量距离公式d_i＝d_1i+d_2i，d_1i为相移距离且d_2i为包裹距离且其中，c为光速，f_i为调制光波i的频率，φ_i为相位差，m_i为包裹次数。

4.如权利要求3所述的TOF测距的相位解包裹的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S31：在所述搜索空间内对m₁、m₂…m_i…开始赋值，以得到一组测量距离{d₁、d₂…d_i.…}，并执行步骤S32；

S32：将一组测量距离中的若干测量距离d₁、d₂…d_i.…两两进行相减，得到差值的绝对值的最大值小于或等于所述阈值，则此次赋值为包裹次数，终止赋值并执行步骤S4，若得到差值的绝对值的最大值大于所述阈值，则执行步骤S31。

5.如权利要求1或3所述的TOF测距的相位解包裹的方法，其特征在于，所述阈值为每两个所述调制光波之间测距误差的最大值。

6.如权利要求1所述的TOF测距的相位解包裹的方法，其特征在于，在步骤S4中，对下一个像素点依次执行步骤S2之后，执行步骤S3之前，所述TOF测距的相位解包裹的方法还包括：

S41：将下一个像素点任一邻域像素点的包裹次数带入下一个像素点的若干测量距离公式中，以得到一组测量距离；

S42：将一组测量距离中的若干测量距离两两进行相减，若差值的绝对值的最大值小于或等于所述阈值，则所述邻域像素点的包裹次数作为下一个像素点的包裹次数，若差值的绝对值的最大值大于所述阈值，则执行步骤S3。

7.如权利要求1所述的TOF测距的相位解包裹的方法，其特征在于，将每个像素点对应的频率最大者的测量距离或者若干测量距离的平均值作为该像素点探测到的距离。

8.一种TOF测距系统，其特征在于，包括光源模块、光探测模块及计算模块，所述光源模块发出若干不同频率的调制光波，若干所述调制光波照射至少一个对象，所述光探测模块接收所述对象反射的若干反射光波，所述计算模块采用如权利要求1-7中任一项所述的TOF测距的相位解包裹的方法对探测到所述反射光波的探测面上的每个像素点进行相位解包裹。

9.如权利要求8所述的TOF测距系统，其特征在于，所述光探测模块的探测面上具有若干阵列分布的像素点。

10.如权利要求8所述的TOF测距系统，其特征在于，所述光源模块包括调频单元，通过所述调频单元对所述光源模块发出的光波进行调频以形成不同频率的若干调制光波，且所述调制光波的调制频率越高，测量分辨率越高，最大测量距离越短。