CN109729721B - 光学测距方法以及光学测距装置 - Google Patents

光学测距方法以及光学测距装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光学测距方法，包括根据复数个第一参数，确定第一量测距离的表达式；根据飞行时间，计算飞时量测距离；根据所述第一量测距离的表达式与所述飞时量测距离，计算复数个第一参数的最优值和对应于所述飞时量测距离的飞时误差的最优值；以及根据所述飞时量测距离、所述复数个第一参数的最优值以及所述飞时误差的最优值，取得影像深度信息；其中，所述复数个第一参数包括对应于所述对象反射点的俯仰角、方位角以及所述发光模块与所述感光模块之间的距离。

Description

光学测距方法以及光学测距装置
技术领域
本发明涉及一种光学测距方法以及光学测距装置，尤其涉及一种可相互校正的光学测距方法以及光学测距装置。
背景技术
光学测距装置可利用3D图像传感系统采集其相对于目标物的距离/深度信息，并因此通过3D图像各个像素的间距值或距离值生成三维图像数据，所述3D图像也被称为距离图像或深度图。额外的距离维度可在多种应用中使用，以获取更多有关由相机所捕获的场景中对象的信息，从而解决工业传感器领域中的不同任务。
一般来说，3D图像传感系统透过一发光二极管来发射入射光，并利用像素数组中的复数个像素电路来采集对应于入射光的反射光。现有技术已发展出根据经调变的入射光与反射光之间的飞行时间(Time of Flight，ToF)来量测距离的方法，利用调变光进行飞时测距的优点是抗背景光干扰能力佳，而具有较差的精准度。现有技术已发展出利用结构光以及三角测量法来量测距离，其具有较佳的精准度，但其抗背景光干扰能力较差。除此之外，三角测量法在计算距离时需对某些参数进行校正，而飞时量测距离具有飞时误差，在三角测量法所需的参数以及飞时误差为未知的情况下，造成现有光学测距装置无法精准地提供目标物的距离/深度信息。
因此，现有技术实有改进的必要。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种结合利用结构光的三角测量法与利用调变光的飞时测距法的光学测距方法以及光学测距装置，其可相互校正所需参数及误差的光学测距方法以及光学测距装置，以改善现有技术的缺点。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光学测距方法，应用于光学测距装置，所述光学测距装置包括发光模块以及感光模块，其中所述发光模块发射入射光，所述感光模块接受反射自对象反射点的反射光，并产生图像，所述校正方法包括根据复数个第一参数，确定一第一量测距离的表达式；根据所述入射光与所述反射光之间的飞行时间，计算飞时量测距离；根据所述第一量测距离的表达式与所述飞时量测距离，计算复数个第一参数的最优值和对应于所述飞时量测距离的飞时误差的最优值；以及根据所述飞时量测距离、所述复数个第一参数的最优值以及所述飞时误差的最优值，取得所述光学测距装置相对于所述对象反射点的影像深度信息；其中，所述复数个第一参数包括第一角度、第二角度以及所述发光模块与所述感光模块之间的第一距离；其中，所述第一角度为所述对象反射点相对于所述发光模块及所述感光模块的俯仰角，所述第二角度为所述对象反射点相对于所述发光模块及所述感光模块的方位角。
较佳地，根据复数个第一参数，确定第一量测距离的表达式步骤包括：根据复数个第一参数，确定所述对象反射点相对于所述感光模块的坐标；根据所述坐标，确定所述对象反射点相对于所述感光模块的回程距离的表达式以及所述对象反射点相对于所述发光模块的去程距离的表达式；以及第一量测距离的表达式为所述回程距离的表达式与所述去程距离的表达式的总和。
较佳地，根据所述第一量测距离的表达式与所述飞时量测距离，计算所述复数个第一参数的最优值和对应于所述飞时量测距离的飞时误差的最优值步骤包括根据所述第一量测距离的表达式及所述飞时量测距离，制定目标函数；以及根据所述目标函数，计算复数个第一参数的最优值以及对应于所述飞时量测距离的飞时误差的最优值。
较佳地，所述目标函数为所述第一量测距离的表达式与所述飞时量测距离及飞时误差相减的绝对值。
较佳地，根据所述目标函数，计算复数个第一参数的最优值以及对应于所述飞时量测距离的飞时误差的最优值步骤包括：利用高斯牛顿算法，根据所述目标函数，计算复数个第一参数的最优值以及对应于所述飞时量测距离的飞时误差的最优值。
较佳地，所述入射光包括结构光，所述根据复数个第一参数，确定第一量测距离的表达式包括根据对应于所述结构光的反射光以及复数个第一参数，确定第一量测距离的表达式。
较佳地，所述入射光包括调变光，所述根据所述入射光与所述反射光之间的飞行时间，计算飞时量测距离包括根据对应于所述调变光的反射光以及飞行时间，计算飞时量测距离。
本发明另提供了一种光学测距装置，包括发光模块，用来发射入射光；感光模块，用来接受反射自对象反射点的反射光，并产生图像；以及计算模块，耦接于所述感光模块，所述计算模块包括：结构光子模块，用于根据复数个第一参数，确定第一量测距离的表达式；调变光子模块，用于根据所述入射光与所述反射光之间的飞行时间，计算飞时量测距离；最优计算子模块，用于根据所述第一量测距离的表达式与所述飞时量测距离，计算复数个第一参数的最优值和对应于所述飞时量测距离的飞时误差的最优值；以及取得子模块，用于根据所述飞时量测距离、所述复数个第一参数的最优值以及所述飞时误差的最优值，取得所述光学测距装置相对于所述对象反射点的影像深度信息；其中，所述复数个第一参数包括第一角度、第二角度以及所述发光模块与所述感光模块之间的第一距离；其中，所述第一角度为所述对象反射点相对于所述发光模块及所述感光模块的俯仰角，所述第二角度为所述对象反射点相对于所述发光模块及所述感光模块的方位角。
本发明将三角测量法的量测距离及飞时测距法的量测距离融合为一，利用飞时测距法的量测距离来校正三角测量法所需的参数，并用三角测量法的量测距离来校正飞时测距法的飞时误差，以解决现有技术中的缺点。
附图说明
图1为本发明实施例一光学测距装置的示意图。
图2为本发明实施例一流程的示意图。
图3为一三维空间坐标示意图。
图4为本发明实施例一流程的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参考图1，图1为本发明实施例一光学测距装置10的示意图。光学测距装置10包括发光模块12、感光模块14以及计算模块16。发光模块12可包含发光二极管(LightEmitting Diode，LED)，用来发射入射光，该发光二极管可为红外线发光二极管。感光模块14可为摄像单元，其可包括镜头(Lens)以及图像传感器(Image Sensor)，感光模块14用来接受反射自对象反射点OBJ的反射光，并产生图像。计算模块16可包含结构光子模块、调变光子模块、最优计算子模块和取得子模块，于一实施例中，计算模块16可包含处理单元以及存储单元，该处理单元可为应用处理器(Application Process，AP)或数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)，该存储单元可储存有程序代码，该程序代码用来指示该处理单元执行流程，以计算光学测距装置10相对于对象反射点OBJ的影像深度信息。
更进一步地，发光模块12所发射的入射光为调变结构光(Modulated andStructured Light)，即该入射光同时具有结构光(Structured Light)以及调变光(Modulated Light)的特性。换句话说，因该入射光具有结构光的特性，该入射光在空间上(Spatially)可具有如条纹般的亮暗分布；因该入射光具有调变光的特性，该入射光可随着输入至发光模块12的调变信号，在时间上(Temporally)呈现亮暗变化。其他关于结构光以及调变光特性的细节，为本领域具通常知识者所知，于此不再赘述。
在此情形下，感光模块14及计算模块16可利用结构光的特性以及三角测量法，计算第一量测距离D1；利用调变光的特性，并根据入射光与反射光之间的飞行时间(Time ofFlight，ToF)，计算飞时量测距离DToF。然而，在理想的情况下，计算模块16在利用结构光的特性以及三角测量法计算第一量测距离D1时，需事先得知参数α、ρ、b，其中α为对象反射点OBJ相对于发光模块12及感光模块14的俯仰角(Elevation Angle)，ρ为对象反射点OBJ相对于发光模块12及感光模块14的方位角(Azimuth Angle)，b为发光模块12与感光模块14之间的距离。换句话说，需事先得知参数α、ρ、b，计算模块16才有办法利用三角测量法计算第一量测距离D1。也就是说，当计算模块16在利用结构光特性以及三角测量法计算第一量测距离D1时，参数α、ρ、b对计算模块16来说是未知数。另一方面，计算模块16利用飞行时间所计算出的飞时量测距离DToF具有飞时误差ΔToF，飞时误差ΔToF对计算模块16也是未知数。简言之，参数α、ρ、b以及飞时误差ΔToF对计算模块16来说具有不确定性
(Uncertainty)，而导致第一量测距离D1与飞时量测距离DToF皆无法准确地代表光学测距装置10相对于对象反射点OBJ的影像深度信息。
现有技术中，计算模块是在已知光学测距装置与对象反射点之间的距离的情况下，针对参数α、ρ、b进行校正，换句话说，使用者需将对象反射点摆放于距离光学测距装置一已知距离的情况下，计算模块再对参数α、ρ、b进行校正，而现有技术带来操作上的不便。
为了解决参数α、ρ、b以及飞时误差ΔToF的不确定性导致影像深度信息不准确的问题，本发明利用相互校正三角测量法与飞时测距法的量测距离，具体来说，本发明利用飞时量测距离DToF来校正(Calibrate)计算模块16利用三角测量法计算第一量测距离D1时所需的参数α、ρ、b，并利用第一量测距离D1来校正对应于飞时量测距离DToF的飞时误差ΔToF。
请参考图2，图2为本发明实施例一流程20之示意图。流程20可编译成程序代码而储存于存储单元中，流程20可由计算模块16来执行。如图2所示，流程20包含以下步骤：
步骤202：根据参数α、ρ、b，确定对应于参数α、ρ、b的第一量测距离D1(α,ρ,b)的表达式。
步骤204：根据入射光与反射光之间的飞行时间，计算对应于该飞行时间的飞时量测距离DToF。
步骤206：制定目标函数，r(α,ρ,b,ΔToF)为r(α,ρ,b,ΔToF)＝D1(α,ρ,b)－DToF－ΔToF。
步骤208：根据目标函数r(α,ρ,b,ΔToF)，计算参数α、ρ、b的最优值以及飞时误差ΔToF的最优值。
步骤210：根据飞时量测距离DToF、参数α、ρ、b的最优值以及飞时误差ΔToF的最优值，计算光学测距装置10相对于对象反射点OBJ的影像深度信息。
于步骤202中，计算模块16的结构光子模块根据参数α、ρ、b，确定对应于参数α、ρ、b的第一量测距离D1(α,ρ,b)的表达式。于一实施例中，计算模块16可先取得对象反射点OBJ于图像的图像坐标(x0,y0)，并根据图像坐标(x0,y0)以及参数α、ρ、b，取得对象反射点OBJ相对于感光模块14的坐标(X0,Y0,Z0)，并根据坐标(X0,Y0,Z0)，确定对象反射点OBJ相对于发光模块12的去程距离的表达式以及对象反射点OBJ相对于感光模块14的回程距离的表达式，第一量测距离D1(α,ρ,b)的表达式为去程距离与回程距离的总和。
具体来说，计算模块16可根据图像坐标(x0,y0)以及参数α、ρ、b，确定对象反射点OBJ相对于感光模块14的坐标(X0,Y0,Z0)如公式4，并根据由公式4所确定出来的坐标(X0,Y0,Z0)，确定去程距离为
Figure BDA0001407253200000071
并确定回程距离为
Figure BDA0001407253200000072
据此，计算模块16可确定第一量测距离D1(α,ρ,b)为
Figure BDA0001407253200000073
Figure BDA0001407253200000074
关于公式4的原理，请参考图3，图3为对象反射点OBJ、发光模块12及感光模块14的三维空间坐标示意图。于图3中，坐标点O、P、P0分别代表感光模块14、对象反射点OBJ、发光模块12于三维空间中的坐标，假设感光模块14位于坐标原点O(即感光模块14/坐标点O的坐标为(0,0,0))，对象反射点OBJ/坐标点P的坐标为(X0,Y0,Z0)，发光模块12/坐标点P0的坐标为(0,-b,0)。在已知镜头的焦距为f的情况下，根据图像坐标(x0,y0)，可得到坐标点O与坐标点P之间形成的直线OP，其中直线OP上的每一点X＝(X,Y,Z)可表示为公式1。另外，于图3中，入射光形成一光平面П，光平面П的法向量n可表示为公式2，其相关于参数α、ρ。因光平面П通过坐标点P0且其法向量为n，因此光平面П上的每一点X＝(X,Y,Z)皆满足公式3(或光平面П的方程式可表示为公式3。由于坐标点P(X0,Y0,Z0)同时位于直线OP以及光平面П上，因此(X0,Y0,Z0)需同时满足公式1以及公式3，而可解得k如公式5。将公式5中的k值带入公式1，即可得到公式4。
Figure BDA0001407253200000081
Figure BDA0001407253200000082
n(X－P0)＝0 (公式3)
Figure BDA0001407253200000083
另外，步骤204中计算模块16的调变光子模块根据入射光与反射光之间的飞行时间计算对应于该飞行时间的飞时量测距离DToF的技术细节为本领域具通常知识者所知，故于此不再赘述。
于步骤206中，计算模块16的最优计算子模块制定(Formulate)目标函数r(α,ρ,b,ΔToF)为
Figure BDA0001407253200000084
于步骤208中，计算模块16的最优计算子模块根据目标函数r(α,ρ,b,ΔToF)，计算参数α、ρ、b的最优值以及飞时误差ΔToF的最优值。详细来说，计算模块16可利用递归式(Recursive)/迭代式(Iterative)算法来求得公式6的解。举例来说，计算模块16的最优计算子模块可利用高斯牛顿(Gauss-Newton)算法、梯度相关(Gradient-Related)算法、黄金寻找(Golden Search)算法等来求得公式6的解，以得到最佳的参数α、ρ、b以及飞时误差ΔToF。其中，高斯牛顿算法、梯度相关算法、黄金寻找算法为本领域具通常知识者所知，故于此不再赘述。
Figure BDA0001407253200000091
递归式/迭代式算法来求解的步骤为本领域具通常知识者所知，如图4所示，其包括以下步骤：
步骤400：开始。
步骤402：取得参数αn、ρn、bn以及飞时误差ΔToF,n。
步骤404：根据参数αn、ρn、bn以及飞时误差ΔToF,n，计算目标函数r(αn,ρn,bn,ΔToF,n)。
步骤406：计算参数αn+1、ρn+1、bn+1以及飞时误差ΔToF,n+1。
步骤408：判断是否收敛？若是，执行步骤412；若否，执行步骤410。
步骤410：令n＝n+1。
步骤412：结束。
在理想的情况下，将最佳参数α、ρ、b以及最佳飞时误差ΔToF代入r(α,ρ,b,ΔToF)，应会得到r(α,ρ,b,ΔToF)＝0，代表利用结构光特性及三角测量法并经过校正后的量测结果(即对应于最佳参数α、ρ、b的
Figure BDA0001407253200000092
Figure BDA0001407253200000093
与利用调变光特性根据飞行时间所计算出校正后的飞时量测距离(即对应于最佳飞时误差ΔToF的DToF+ΔToF)相等。
如此一来，于步骤210中，计算模块16的取得子模块即可根据对应于最佳参数α、ρ、b的
Figure BDA0001407253200000101
或对应于最佳飞时误差ΔToF的DToF+ΔToF，取得光学测距装置10相对于对象反射点OBJ的影像深度信息。
由上述可知，计算模块16于步骤206制定目标函数r(α,ρ,b,ΔToF)，并于步骤208求得使目标函数r(α,ρ,b,ΔToF)达到最小值的最佳参数α、ρ、b以及最佳飞时误差ΔToF，步骤206、208实质上等同于利用飞时测距法的量测距离来校正三角测量法所需的参数α、ρ、b，并利用三角测量法的量测距离(第一量测距离D1)来校正飞时测距法的飞时误差ΔToF。换句话说，本发明利用步骤206、208可达到相互校正三角测量法所需的参数α、ρ、b与飞时测距法的飞时误差ΔToF的效果。更进一步地，计算模块16根据对应于最佳参数α、ρ、b的
Figure BDA0001407253200000102
及对应于最佳飞时误差ΔToF的DToF+ΔToF所取得光学测距装置10相对于对象反射点OBJ的影像深度信息可视为将三角测量法的量测距离及飞时测距法的量测距离结合/融合(Fusion)为一，其可同时具有结构光及三角测量法的精准度以及调变光及飞时测距法抗背景光干扰的优点。
综上所述，本发明利用飞时测距法的量测距离来校正三角测量法所需的参数，并用三角测量法的量测距离来校正飞时测距法的飞时误差，等同于将三角测量法的量测距离及飞时测距法的量测距离融合为一，其可同时具有结构光及三角测量法的精准度以及调变光及飞时测距法抗背景光干扰的优点。
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、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种光学测距方法，应用于光学测距装置，所述光学测距装置包括发光模块以及感光模块，其中所述发光模块发射入射光，所述感光模块接受反射自对象反射点的反射光，并产生图像，其特征在于，所述方法包括：
根据复数个第一参数，确定第一量测距离的表达式；
根据所述入射光与所述反射光之间的飞行时间，计算飞时量测距离；
根据所述第一量测距离的表达式与所述飞时量测距离，计算复数个第一参数的最优值和对应于所述飞时量测距离的飞时误差的最优值；以及
根据所述飞时量测距离、所述复数个第一参数的最优值以及所述飞时误差的最优值，取得所述光学测距装置相对于所述对象反射点的影像深度信息；
其中，所述复数个第一参数包括第一角度、第二角度以及所述发光模块与所述感光模块之间的第一距离；
其中，所述第一角度为所述对象反射点相对于所述发光模块及所述感光模块的俯仰角，所述第二角度为所述对象反射点相对于所述发光模块及所述感光模块的方位角。
2.如权利要求1所述的光学测距方法，其特征在于，根据复数个第一参数，确定第一量测距离的表达式步骤包括：
根据复数个第一参数，确定所述对象反射点相对于所述感光模块的坐标；
根据所述坐标，确定所述对象反射点相对于所述感光模块的回程距离的表达式以及所述对象反射点相对于所述发光模块的去程距离的表达式；
以及
第一量测距离的表达式为所述回程距离的表达式与所述去程距离的表达式的总和。
3.如权利要求1所述的光学测距方法，其特征在于，根据所述第一量测距离的表达式与所述飞时量测距离，计算所述复数个第一参数的最优值和对应于所述飞时量测距离的飞时误差的最优值步骤包括：
根据所述第一量测距离的表达式及所述飞时量测距离，制定目标函数；以及
根据所述目标函数，计算复数个第一参数的最优值以及对应于所述飞时量测距离的飞时误差的最优值。
4.如权利要求3所述的光学测距方法，其特征在于，所述目标函数为所述第一量测距离的表达式与所述飞时量测距离及飞时误差相减的绝对值。
5.如权利要求3所述的光学测距方法，其特征在于，根据所述目标函数，计算复数个第一参数的最优值以及对应于所述飞时量测距离的飞时误差的最优值步骤包括：
利用高斯牛顿算法，根据所述目标函数，计算复数个第一参数的最优值以及对应于所述飞时量测距离的飞时误差的最优值。
6.如权利要求1所述的光学测距方法，其特征在于，所述入射光包括结构光，所述根据复数个第一参数，确定第一量测距离的表达式包括：
根据对应于所述结构光的反射光以及复数个第一参数，确定第一量测距离的表达式。
7.如权利要求1所述的光学测距方法，其特征在于，所述入射光包括调变光，所述根据所述入射光与所述反射光之间的飞行时间，计算飞时量测距离包括：
根据对应于所述调变光的反射光以及飞行时间，计算飞时量测距离。
8.一种光学测距装置，其特征在于，包括：
发光模块，用来发射入射光；
感光模块，用来接受反射自对象反射点的反射光，并产生图像；以及
计算模块，耦接于所述感光模块，所述计算模块包括：
结构光子模块，用于根据复数个第一参数，确定第一量测距离的表达式；
调变光子模块，用于根据所述入射光与所述反射光之间的飞行时间，计算飞时量测距离；
最优计算子模块，用于根据所述第一量测距离的表达式与所述飞时量测距离，计算复数个第一参数的最优值和对应于所述飞时量测距离的飞时误差的最优值；以及
取得子模块，用于根据所述飞时量测距离、所述复数个第一参数的最优值以及所述飞时误差的最优值，取得所述光学测距装置相对于所述对象反射点的影像深度信息；
其中，所述复数个第一参数包括第一角度、第二角度以及所述发光模块与所述感光模块之间的第一距离；
其中，所述第一角度为所述对象反射点相对于所述发光模块及所述感光模块的俯仰角，所述第二角度为所述对象反射点相对于所述发光模块及所述感光模块的方位角。
9.如权利要求8所述的光学测距装置，其特征在于，所述结构光子模块具体用来执行以下步骤：
根据复数个第一参数，确定所述对象反射点相对于所述感光模块的坐标；
根据所述坐标，确定所述对象反射点相对于所述感光模块的回程距离的表达式以及所述对象反射点相对于所述发光模块的去程距离的表达式；
以及
第一量测距离的表达式为所述回程距离的表达式与所述去程距离的的表达式的总和。
10.如权利要求8所述的光学测距装置，其特征在于，所述最优计算子模块用来执行以下步骤：
根据所述第一量测距离的表达式、所述飞时量测距离，制定目标函数；以及
根据所述目标函数，计算复数个第一参数的最优值以及对应于所述飞时量测距离的飞时误差的最优值。
11.如权利要求10所述的光学测距装置，其特征在于，所述目标函数为所述第一量测距离的表达式与所述飞时量测距离及飞时误差相减的绝对值。
12.如权利要求10所述的光学测距装置，其特征在于，所述最优计算子模块用来执行以下步骤：
利用高斯牛顿算法，根据所述目标函数，计算复数个第一参数的最优值以及对应于所述飞时量测距离的飞时误差的最优值。
13.如权利要求8所述的光学测距装置，其特征在于，所述入射光包括结构光，所述结构光子模块用来执行以下步骤：
根据对应于所述结构光的反射光以及复数个第一参数，确定第一量测距离的表达式。
14.如权利要求8所述的光学测距装置，其特征在于，所述入射光包括调变光，所述调变光子模块用来执行以下步骤：
根据对应于所述调变光的反射光以及飞行时间，计算飞时量测距离。
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