CN110070584A - 一种密度可调的散斑编码图案生成方法及装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种密度可调的散斑编码图案生成方法及装置，所述方法基于散斑编码图案进行拆分，获取基础编码图案，在使用时，直接使用一个或组合投射多于一个的所述基础编码图案，能够获取不同密度的散斑编码图案，满足不同测量场景的需求。还提出一种密度可调的散斑编码图案生成装置，包括：发光基板、控制模块，该装置所需的散斑密度，选择一个或多于一个的基础编码图案，复制排列拼接成散斑编码图案阵列进行投射，所述基础编码图案根据所述方法确定，可以对远近不同距离下的目标物体或投射空间进行标记，从而达到不同距离下目标物体的高分辨率、高精度深度测量的目的。

Description

一种密度可调的散斑编码图案生成方法及装置

技术领域

本公开涉及计算机视觉、深度感知、三维重建技术领域，具体涉及主动立体视觉中一种密度可调的散斑编码图案生成方法及装置。

背景技术

深度感知技术用于感知空间物体的形状和距离信息，是计算机视觉领域研究和应用开发的热点方向。相比双目立体摄像头，基于结构光的主动视觉深度感知技术可以较为准确地获取图像的深度信息，其获取的深度图信息具有更稳定可靠、不受环境光影响、立体匹配过程简单、算法计算量小等优势。

现有技术中编码图案投射器投射出的编码图案一般都是固定的，往往是通过发出的激光束，经干涉成像和物体表面漫反射形成散斑图案。编码图案投射器所设计的编码图案将直接影响深度解码计算的复杂度及深度信息的精度和分辨率。在结构光编码技术中，针对不同的应用场景，需要设计不同的编码图案，例如，对于近距离目标物体，需要能量低，密度较低的散斑编码图案，而远距离目标物体，需要能量高，密度较高的散斑编码图案。因此，采用现行的投射器制造方法，存在着成本高，使用不方便的问题。

发明内容

针对上述问题，本公开提出了一种密度可调的散斑编码图案生成方法及装置，所述方法和/或装置可以基于可分区的多块散斑编码图案，通过驱动不同的发光区域，可组合投射出不同密度的散斑编码图案，完成对远近不同距离下的目标物体或投射空间的自适应标记，从而达到不同距离下目标物体的高分辨率、高精度深度测量的目的。

为实现以上发明目的，本公开提出了一种密度可调的散斑编码图案生成方法，所述方法包括下述步骤：

S100、设计散斑编码图案；

S200、将该散斑编码图案拆分成两个或多个子散斑编码图案，所述子散斑编码图案中的散斑密度小于原散斑编码图案中的散斑密度，且子散斑编码图案中的散斑位置相对原散斑编码图案中的散斑位置不变；

S300、构建候选散斑编码图案集合，将集合中的元素作为候选散斑编码图案；

所述候选散斑编码图案集合中的元素包括子散斑编码图案和组合子散斑编码图案；

所述组合子散斑编码图案为任意两个或多个子散斑编码图案进行组合；

S400、若存在一个候选散斑编码图案不具有唯一性，则返回步骤S100；否则，将候选散斑编码图案集合中的候选散斑编码图案作为基础编码图案；

所述唯一性是指散斑编码图案中的每个散斑在空间分布上具有唯一性。

在所述方法中，其中：所述方法包括下述步骤：

S400、根据测量场景所需的散斑密度，选择一个或多于一个的基础编码图案，复制排列拼接成散斑编码图案阵列进行投射。

在所述方法中，其中：所述复制排列拼接的方式包括规则阵列方式、错行阵列方式、阵列旋转方式；其中：

在所述规则阵列方式中，每个散斑编码图案跟其相邻的散斑编码图案同列且同行；

在所述错行阵列方式中，每个散斑编码图案跟其相邻的散斑编码图案同列不同行；

在所述阵列旋转方式中，散斑编码图案阵列通过将规则编码方式中的散斑编码阵列进行旋转获得。

另一方面，本公开提出了一种密度可调的散斑编码图案生成装置，所述装置包括发光基板、控制模块；其中：

所述发光基板包括一个或多个发光区域，每个发光区域上有按照基础编码图案进行排列的发光颗粒元件；

所述基础编码图案根据权利要求1的方法进行确定；

所述控制模块根据测量场景所需的散斑密度，控制相应的发光颗粒元件发光，发射出相应的基础编码图案。

在所述装置中，其中：所述装置包括准直镜，所述准直镜对发光基板上所有发光颗粒元件发射的光线进行准直处理。

在所述装置中，其中：所述装置包括衍射光学器件DOE，用于对发射的基础散斑编码图案进行复制排列拼接。

在所述装置中，其中：所述复制排列拼接的方式包括规则阵列方式、错行阵列方式、阵列旋转方式；其中：

在所述规则阵列方式中，每个散斑编码图案跟其相邻的散斑编码图案同列且同行；

在所述错行阵列方式中，每个散斑编码图案跟其相邻的散斑编码图案同列不同行；

在所述阵列旋转方式中，散斑编码图案阵列通过将规则编码方式中的散斑编码阵列进行旋转获得。

在所述装置中，其中：所述控制模块包含外部通信接口，通过外部通信接口控制发光颗粒的点亮、熄灭或者调节发光强度。

在所述装置中，其中：所述控制模块包括驱动电路，用于恒流驱动发光基板上排布的发光颗粒元件。

在所述装置中，其中：所述发光颗粒元件包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)、LD发光源或LED发光源。

与现有技术相比，本公开具有下述有益效果：

本公开提出的散斑密度可调的编码图案生成方法通过驱动发光基板上不同区域的发光点，投射出不同散斑密度的编码图案，对目标物体或投射空间进行自适应标记，最后通过深度解码算法完成物体的三维深度测量。本方法通过驱动发光基板上不同发光区域的发光元件，组成不同散斑密度的编码图案，利用区域分割技术，只需一个投射器便可完成对不同远近距离下的物体的空间标记。

附图说明

图1是本公开一个实施例中关于散斑密度可调的图案生成方法流程图；

图2是本公开一个实施例中关于散斑密度可调的图案生成装置结构示意图；

图3是本公开一个实施例中设计的高密度随机散斑编码图案的一种实施示意图；

图4是本公开一个实施例中关于发光基板上发光点阵排布的一种实施示意图；

图5(a)是只点亮图4中A或者B区域发光基板上发光颗粒后生成的具有较小散斑密度的一幅随机散斑图案的一种实施示意图；

图5(b)是本公开点亮图4中A和B区域发光基板上发光颗粒后经DOE重叠复制后生成的具有较大散斑密度的一幅随机散斑图案的另一种实施示意图；

图6是本公开一个实施例中关于由发光基板上生成的编码图案经错行阵列方式拼接扩充的实施方式示意图；

图7(a)是本公开关于由发光基板上生成的基础编码图案规则阵列方式拼接的一种实施方式示意图；

图7(b)是本公开关于由发光基板上生成的基础编码图案经旋转阵列方式拼接扩充后的一种实施方式示意图。

具体实施方式

在一个实施例中，提出了一种密度可调的散斑编码图案生成方法，如图1所示，所述方法包括下述步骤：

S100、设计散斑编码图案；

S200、将该散斑编码图案拆分成两个或多个子散斑编码图案，所述子散斑编码图案中的散斑密度小于原散斑编码图案中的散斑密度，且子散斑编码图案中的散斑位置相对原散斑编码图案中的散斑位置不变；

S300、构建候选散斑编码图案集合，将集合中的元素作为候选散斑编码图案；

所述候选散斑编码图案集合中的元素包括子散斑编码图案和组合子散斑编码图案；

所述组合子散斑编码图案为任意两个或多个子散斑编码图案进行组合；

S400、若存在一个候选散斑编码图案不具有唯一性，则返回步骤S100；否则，将候选散斑编码图案集合中的候选散斑编码图案作为基础编码图案；

在这个实施例中，候选散斑编码图案属于散斑编码图案。所述唯一性是指散斑编码图案中的每个散斑在空间分布上具有唯一性。

在一个实施例中，所述方法包括下述步骤：

S400、根据测量场景所需的散斑密度，选择一个或多于一个的基础编码图案，复制排列拼接成散斑编码图案阵列进行投射。

在本实施例中，优选的：所述复制排列拼接的方式包括规则阵列方式、错行阵列方式、阵列旋转方式；其中：

在所述规则阵列方式中，每个散斑编码图案跟其相邻的散斑编码图案同列且同行；

在所述错行阵列方式中，每个散斑编码图案跟其相邻的散斑编码图案同列不同行；

在所述阵列旋转方式中，散斑编码图案阵列通过将规则编码方式中的散斑编码阵列进行旋转获得。

在一个实施例中，提出了一种密度可调的散斑编码图案生成装置，所述装置包括发光基板、控制模块；其中：

所述发光基板包括一个或多个发光区域，每个发光区域上有按照基础编码图案进行排列的发光颗粒元件；

所述基础编码图案根据权利要求1的方法进行确定；

所述控制模块根据测量场景所需的散斑密度，控制相应的发光颗粒元件发光，发射出相应的基础编码图案。

在这个实施例中，发光颗粒元件可以为孔径为d的圆形发光颗粒，随机分布在方形基板上。

优选的：所述装置包括准直镜，所述准直镜对发光基板上所有发光颗粒元件发射的光线进行准直处理。

优选的：所述装置包括衍射光学器件DOE，用于对发射的基础散斑编码图案进行复制排列拼接。所述衍射光学器件DOE对发光基板发射的基础编码图案进行复制排列过程中，基础编码图案可以重叠也可以不重叠。

优选的：所述复制排列拼接的方式包括规则阵列方式、错行阵列方式、阵列旋转方式；其中：

在所述规则阵列方式中，每个散斑编码图案跟其相邻的散斑编码图案同列且同行；

在所述错行阵列方式中，每个散斑编码图案跟其相邻的散斑编码图案同列不同行；

在所述阵列旋转方式中，散斑编码图案阵列通过将规则编码方式中的散斑编码阵列进行旋转获得。

优选的：所述控制模块包含外部通信接口，通过外部通信接口控制发光颗粒的点亮、熄灭或者调节发光强度。

优选的：所述控制模块包括驱动电路，用于恒流驱动发光基板上排布的发光颗粒元件。

下面实施例结合附图2-6对本公开装置进行进一步的详细说明。

在本实施例中，所述装置如图2所示。所述装置10包括发光基板11，发光基板11上有一个或多个发光区域，每个发光区域上有按照基础编码图案进行排列的发光颗粒元件12，发光颗粒元件12的个数为整数个(2、3、4.....k个)。

基础编码图案按照前述实施例中的方法确定。具体地，如图3、图4所示，图3为设计的一个高密度随机散斑编码图案，散斑点之间间距过小，工艺制作困难，为了满足制作要求，将该编码图案中间距太近的点进行分割，保留下的散斑点组成原编码图案，分割出去的散斑点组成反相编码图案，如果分割后的反相编码图案中散斑点的间距仍然无法满足制作要求，可以对该反相编码图案继续进行二次或三次分割，图4是将图3所示的编码图案进行了一次分割，左边A区域是原散斑编码图案中保留的散斑点，其构成了第一子散斑编码图案，右边B区域是分割出去的散斑点组成的第二子散斑编码图案，第二子散斑编码图案的大小与第一子散斑编码图案的大小相同。

所述准直镜13对发光基板上所有发光颗粒发射的光线进行准直处理，即使光源发射的光线平行射出或按一定的景深范围进行对焦，形成基础编码图案。所述准直镜大小应与发光基板的发光区域大小相关。

所述衍射光学器件DOE 14对发光基板发射的基础编码图案进行复制排列，比如m×n块，其中m、n都是1、2、3.....整数倍。所述衍射光学器件DOE将确保所复制的各块编码图案经拼接后，在对比度、亮度、均匀性、畸变状况确保较为一致。

驱动模块15用于在X-Y轴方向恒流驱动发光基板上排布的发光颗粒，既可以选择只驱动部分发光颗粒，也可以对于每个颗粒的发光强度也可通过调节电流大小来改变，形成灰度阶层。

控制模块16按照检测到的目标物体的远近或者不同的应用场景，选择符合当前测量场景所需的散斑密度并通知驱动模块对对应发光区域进行驱动显示，组合形成不同密度的散斑编码图案，经准直镜13准直处理和衍射光学器件DOE14复制排列拼接后形成不同密度的散斑编码图案，用于目标物体的空间标记，然后对不同距离下编码图案的形变情况进行解码分析，完成对空间物体的三维深度测量。如图5(a)所示，当点亮图4中的A或B区域时，衍射光学器件DOE对形成的基础编码图案21进行不重叠拼接；当A和B区域同时点亮时，衍射光学器件DOE对形成的基础编码图案22采用部分区域重叠的方式进行拼接，如图5(b)所示，由线段构成的虚线框内为对发光基板上发出的编码图案进行复制排列后的第一行第一个基础编码图案，由点-线段构成的虚线框内为第一行第二个基础编码图案，而第一个基础编码图案中B区域图案与第二个的A区域图案重叠，以此类推，第二个基础编码图案中B区域图案与第三个的A区域图案重叠。

所述控制模块可以通过X-Y方向驱动电路对单个发光颗粒分别进行控制，即每个发光颗粒都有对应的开关信号和电流强度信号；也可以对多个发光颗粒进行统一控制，即同一发光区域中的多个发光颗粒只有一个开关信号和电流强度信号，或者同时点亮或者同时熄灭。

可选的，驱动点亮某一发光区域的命令也可由外部处理器通过标准接口下达。

发光区域由发光点阵分割而来，根据第一子散斑编码图案及其对应第二子散斑编码图案进行分割。

在本实施例中，衍射光学器件DOE14若采用错行阵列方式形成投射的散斑编码图案，将如图6所示，每一块(1.1、1.2、1.3……，等同于图3或图4中的A区域、B区域或者A+B区域)表示发光颗粒元件被驱动点亮后产生编码图案，每一列的编码图案跟其左右相连的那列编码图案在垂直方向上可以台阶式相差一定数量的行，比如相差编码图案高度的一半或设定为n行(n为正整数)。若采用阵列旋转方式，将如图7(b)所示，图7(a)是旋转前的编码图案阵列，图7(b)是旋转后的编码图案阵列，其可以按顺时针或逆时针方向旋转0角，其角度可根据后续唯一性判别准则和根据测距范围所要求的搜索范围来设定。

在上述实施例中，唯一性是指在结构光编码图案的一定搜索范围(r×v阵列)内(其中r、v为正整数)，所有k1×k2的子矩阵组成的编码图案块只出现一次(其中k1、k2为正整数且k1<r、k2<v，表示编码图案块的大小)，即该图案块是唯一的，可与其它同样大小的编码图案块区别开来；

在上述实施例中，所述复制排列拼接是将由发光基板上点亮的发光区域生成的编码图案拼接扩充，具体方法包括错行阵列方式、阵列旋转方式等。错行阵列方式，如图6所示

在上述实施例中，所述由编码图案决定的发光点阵可以设计成正方形、长方形，也可以排布成三角形、圆形等形状；发光点阵的光源是VCSEL(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser)。在发光点阵中的发光点形状可以是圆形、方形或其他形状，也可以是多个形状混合排列。

在上述实施例中，所述装置不仅支持不同种激光源产生的结构光模式，如红外、可见光、紫外线、不可见光等，也可使用不同形状发光颗粒的投射方案，如圆点状、块状、十字状、条纹状等的。因而在不脱离本公开的精神和范围内的修改和完善，均应包含在上述的权利要求范围内。

尽管以上结合附图对本公开的实施方案进行了描述，但本公开并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本公开权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本公开保护之列。

Claims (10)

1.一种密度可调的散斑编码图案生成方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

S100、设计散斑编码图案；

S200、将该散斑编码图案拆分成两个或多个子散斑编码图案，所述子散斑编码图案中的散斑密度小于原散斑编码图案中的散斑密度，且子散斑编码图案中的散斑位置相对原散斑编码图案中的散斑位置不变；

S300、构建候选散斑编码图案集合，将集合中的元素作为候选散斑编码图案；

所述候选散斑编码图案集合中的元素包括子散斑编码图案和组合子散斑编码图案；

所述组合子散斑编码图案为任意两个或多个子散斑编码图案进行组合；

S400、若存在一个候选散斑编码图案不具有唯一性，则返回步骤S100；否则，将候选散斑编码图案集合中的候选散斑编码图案作为基础编码图案；

所述唯一性是指散斑编码图案中的每个散斑在空间分布上具有唯一性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，所述方法包括下述步骤：

S400、根据测量场景所需的散斑密度，选择一个或多于一个的基础编码图案，复制排列拼接成散斑编码图案阵列进行投射。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述复制排列拼接的方式包括规则阵列方式、错行阵列方式、阵列旋转方式；其中：

在所述规则阵列方式中，每个散斑编码图案跟其相邻的散斑编码图案同列且同行；

在所述错行阵列方式中，每个散斑编码图案跟其相邻的散斑编码图案同列不同行；

在所述阵列旋转方式中，散斑编码图案阵列通过将规则编码方式中的散斑编码阵列进行旋转获得。

4.一种密度可调的散斑编码图案生成装置，其特征在于，所述装置包括发光基板、控制模块；其中：

所述发光基板包括一个或多个发光区域，每个发光区域上有按照基础编码图案进行排列的发光颗粒元件；

所述基础编码图案根据权利要求1的方法进行确定；

所述控制模块根据测量场景所需的散斑密度，控制相应的发光颗粒元件发光，发射出相应的基础编码图案。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置包括准直镜，所述准直镜对发光基板上所有发光颗粒元件发射的光线进行准直处理。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：

所述装置包括衍射光学器件DOE，用于对发射的基础散斑编码图案进行复制排列拼接。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述复制排列拼接的方式包括规则阵列方式、错行阵列方式、阵列旋转方式；其中：

在所述规则阵列方式中，每个散斑编码图案跟其相邻的散斑编码图案同列且同行；

在所述错行阵列方式中，每个散斑编码图案跟其相邻的散斑编码图案同列不同行；

在所述阵列旋转方式中，散斑编码图案阵列通过将规则编码方式中的散斑编码阵列进行旋转获得。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：

所述控制模块包含外部通信接口，通过外部通信接口控制发光颗粒的点亮、熄灭或者调节发光强度。

9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：

所述控制模块包括驱动电路，用于恒流驱动发光基板上排布的发光颗粒元件。

10.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：

所述发光颗粒元件包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)、LD发光源或LED发光源。