CN110596723A - 动态直方图绘制飞行时间距离测量方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态直方图绘制飞行时间距离测量方法，包括如下步骤：S1、以第一精度时间单元绘制第一直方图；S2、利用所述第一直方图计算第一飞行时间；S3、根据所述第一飞行时间并以第二精度时间单元绘制第二直方图；S4、利用所述第二直方图计算第二飞行时间。本发明通过对飞行时间距离测量系统中的直方图进行动态的粗‑细调整来实现大范围、高精度的飞行时间测量。

Description

动态直方图绘制飞行时间距离测量方法及测量系统

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种动态直方图绘制飞行时间距离测量方法及测量系统。

背景技术

飞行时间(Time of flight,TOF)法通过测量光束在空间中的飞行时间来计算物体的距离，由于其具有精度高、测量范围大等优点被广泛应用于消费电子、无人架驶、AR/VR等领域。

基于飞行时间原理的距离测量系统比如飞行时间深度相机、激光雷达等系统往往包含一个光源发射端以及接收端，光源向目标空间发射光束以提供照明，接收端接收由目标反射回的光束，系统再通过计算光束由发射到反射接收所需要的时间来计算物体的距离。

目前基于飞行时间法的激光雷达主要有机械式与非机械式两种，机械式通过旋转基座来实现360度大视场的距离测量，优点是测量范围大，但存在功耗高、分辨率及帧率低等问题。非机械式中面阵激光雷达在一定程度上可以解决机械式激光雷达的问题，其通过一次向空间上发射一定视场的面光束，并通过面阵接收器进行接收，因此其分辨率及帧率均得到了提升，另外由于无需旋转部件，更易于安装。尽管如此，面阵激光雷达仍面临一些挑战。

面阵激光雷达的分辨率越高，有效信息也越全面，另外动态测量对帧率及测量精度也有较高的要求。然而，分辨率、帧率以及精度的提升往往需要依托于接收端的电路规模、调制解调方式的改善，但增加电路规模会增加功耗、信噪比以及成本；另外也会增加片上存储量，给量产带来了严重的挑战；当前的调制解调方式也难以实现高精度、低功耗等要求。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动态直方图绘制飞行时间距离测量方法及测量系统，以解决上述背景技术问题中的至少一种。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

一种动态直方图绘制飞行时间距离测量方法，包括如下步骤：

S1、以第一精度时间单元绘制第一直方图；

S2、利用所述第一直方图计算第一飞行时间；

S3、根据所述第一飞行时间并以第二精度时间单元绘制第二直方图；

S4、利用所述第二直方图计算第二飞行时间。

在一些实施例中，所述第一精度时间单元与所述第二精度时间单元的地址被预先配置以使得所述第一直方图的时间区间大于所述第二直方图的时间区间。

在一些实施例中，所述第一精度时间单元与所述第二精度时间单元的地址被预先配置以使得所述第一直方图的时间分辨率小于所述第二直方图的时间分辨率。

在一些实施例中，基于所述第一或第二直方图利用最大峰值法定位出脉冲波形位置并计算出所述第一或第二飞行时间。

在一些实施例中，当所述步骤S2中利用所述第一直方图无法计算出第一飞行时间时，返回到步骤S1继续绘制第一直方图，直到计算出第一飞行时间为止。

在一些实施例中，所述第一直方图的时间区间根据测量范围及所述直方图的时间单元数量确定。

在一些实施例中，所述第二直方图的时间区间根据所述第一飞行时间来确定。

在一些实施例中，所述第二直方图的时间区间是以所述第一飞行时间为中间，两边增加一定的余量来确定。

在一些实施例中，所述余量被设置成所述第一直方图时间区间的1％～25％。

在一些实施例中，所述第一直方图/第二直方图在绘制时，对应的像素在采集光子时仅在包含所述第一直方图的/第二直方图的时间区间的时间范围内被激活。

本发明的另一技术方案为：

一种动态直方图绘制飞行时间距离测量系统，包括：发射器，经配置以发射脉冲光束；采集器，经配置以采集被物体反射回的所述脉冲光束中的光子并形成光子信号；处理电路，与所述发射器以及所述采集器连接，用于执行前述方案的任一项方法进行绘制直方图并基于所述直方图计算飞行时间。

本发明技术方案的有益效果是：

本发明通过对飞行时间距离测量系统中的直方图进行动态的粗-细调整来实现大范围、高精度的飞行时间测量，避免现有技术中直方图电路的存储器容量大，导致成本高、单片集成的量产难度大的问题。

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，下面将对实施例或现有技术描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一个实施例的飞行时间距离测量系统示意图。

图2是根据本发明一个实施例的光源示意图。

图3是根据本发明一个实施例的采集器中像素单元的示意图。

图4是根据本发明一个实施例的读出电路示意图。

图5是根据本发明一个实施例的直方图示意图。

图6是根据本发明一个实施例的动态直方图绘制飞行时间测量方法。

图7是根据本发明又一个实施例的飞行时间测量方法。

图8是根据本发明一个实施例的基于插值的飞行时间测量方法。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明提供一种动态直方图绘制飞行时间距离测量方法及测量系统，为便于理解，先对测量系统实施例进行描述。

作为本发明一实施例，提供一种距离测量系统，其具有更强的抗环境光能力以及更高的分辨率。

图1所示是根据本发明一个实施例的飞行时间距离测量系统示意图。距离测量系统10包括发射器11、采集器12以及处理电路13，其中发射器11提供发射光束30至目标空间中以照明空间中的物体20，至少部分发射光束30经物体20反射后形成反射光束40，反射光束40的至少部分光信号(光子)被采集器12采集，处理电路13分别与发射器11以及采集器12连接，同步发射器11以及采集器12的触发信号以计算光束由发射器11发出并被采集器12接收所需要的时间，即发射光束30与反射光束40之间的飞行时间t，进一步的，物体上对应点的距离D可由下式计算出：

D＝c·t/2 (1)

其中，c为光速。

发射器11包括光源111、光学元件112。光源111可以是发光二极管(LED)、边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)等光源，也可以是多个光源组成的阵列光源，优选地，阵列光源111是在单块半导体基底上生成多个VCSEL光源以形成的VCSEL阵列光源芯片。光源111所发射的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。光源111在处理电路13的控制下向外发射光束，比如在一个实施例中，光源111在处理电路13的控制下以一定的频率(脉冲周期)发射脉冲光束，可以用于直接飞行时间法(Direct TOF)测量中,频率根据测量距离进行设定，比如可以设置成1MHz～100MHz，测量距离在几米至几百米。可以理解的是，可以是处理电路13中的一部分或者独立于处理电路13存在的子电路来控制光源111发射相关的光束，比如脉冲信号发生器。

光学元件112接收来自光源111的脉冲光束，并将脉冲光束进行光学调制，比如衍射、折射、反射等调制，随后向空间中发射被调制后的光束，比如聚焦光束、泛光光束、结构光光束等。光学元件112可以是透镜、衍射光学元件、掩膜板、反射镜、MEMS振镜等形式中的一种或多种组合。

处理电路13可以是独立的专用电路，比如专用SOC芯片、FPGA芯片、ASIC芯片等等，也可以包含通用处理器，比如当该深度相机被集成到如手机、电视、电脑等智能终端中去，终端中的处理器可以作为该处理电路13的至少一部分。

采集器12包括像素单元121、成像透镜单元122，成像透镜单元122接收并将由物体反射回的至少部分调制光束引导到像素单元121上。在一个实施例中，像素单元121由单光子雪崩光电二极管(SPAD)组成，也可以由多个SPAD像素组成的阵列像素单元，阵列像素单元的阵列大小代表着该深度相机的分辨率，比如320×240等。SPAD可以对入射的单个光子进行响应从而实现对单光子的检测，由于其具备灵敏度高、响应速度快等优点，可以实现远距离、高精度地测量。与CCD/CMOS等组成的以光积分为原理的图像传感器相比，SPAD可以通过对单光子进行计数，比如利用时间相关单光子计数法(TCSPC)实现对微弱光信号的采集以及飞行时间的计算。一般地，与像素单元121连接的还包括由信号放大器、时数转换器(TDC)、模数转换器(ADC)等器件中的一种或多种组成的读出电路(图中未示出)。这些电路即可以与像素整合在一起，这也可以是处理电路13中的一部分，为了便于描述，将统一视作处理电路13。

在一些实施例中，距离测量系统10还可以包括彩色相机、红外相机、IMU等器件，与这些器件的组合可以实现更加丰富的功能，比如3D纹理建模、红外人脸识别、SLAM等功能。

在一些实施例中，发射器11与采集器12也可以被设置成共轴形式，即二者之间通过具备反射及透射功能的光学器件来实现，比如半透半反镜等。

在利用SPAD的直接飞行时间法距离测量系统中，单个光子入射SPAD像素将引起雪崩，SPAD将输出雪崩信号至TDC电路，再由TDC电路检测出光子从发射器11发出到引起雪崩的时间间隔。通过多次测量之后将时间间隔通过时间相关单光子计数(TCSPC)电路进行直方图统计以恢复出整个脉冲信号的波形，进一步可以确定该波形对应的时间，根据这一时间就可以确定出飞行时间，从而实现精确的飞行时间检测，最后根据飞行时间计算出物体的距离信息。假定脉冲光束发射的脉冲周期为Δt，距离测量系统的最大测量范围为Dmax，对应的最大飞行时间是一般要求Δt≥t₁以避免信号混淆，其中c是光速。如果TCSPC要求的多次测量的次数为n，则实现单帧测量的时间(帧周期)将不低于n*t₁，即每帧测量的周期内包含了n次光子计数测量。比如最大测量范围是150m，对应的脉冲周期Δt＝1us，n＝100000，则帧周期将不低于100ms，帧率将低于10fps。由此可见，TCSPC方法中最大测量范围限制了脉冲周期，从而进一步影响到距离测量的帧率。

图2是根据本发明一个实施例的光源示意图。光源111由设置在单片基底(或多片基底)上的多个子光源组成，子光源以一定的图案形式排列在基底上。基底可以是半导体基底、金属基底等，子光源可以是发光二极管、边发射激光发射器、垂直腔面激光发射器(VCSEL)等，优选地，光源111由设置在半导体基底上的多个VCSEL子光源所组成的阵列VCSEL芯片。子光源用于发射任意需要波长的光束，比如可见光、红外光、紫外光等。光源111在驱动电路(可以是处理电路13的一部分)的调制驱动下进行发光，比如连续波调制、脉冲调制等。光源111也可以在驱动电路的控制下分组发光或者整体发光，比如光源111包含第一子光源阵列201、第二子光源阵列202等，第一子光源阵列201在第一驱动电路的控制下发光、第二子光源阵列202在第二驱动电路的控制下发光。子光源的排列可以是一维排列、也可以是二维排列，可以是规则排列、也可以是不规则排列。为了便于分析，图2中仅示意性地给出一种示例，该示例中光源111为8×9的规则阵列子光源，且子光源被分成了4×3＝12组，各位光源在图中用不同的符号区分，即光源111由12个3×2的规则排列子光源阵列组成。

图3是根据本发明一个实施例的采集器中像素单元的示意图。像素单元包括像素阵列31以及读出电路32，其中像素阵列31包括由多个像素310组成的二维阵列以及由TDC电路321、直方图电路322等组成的读出电路32，其中像素阵列用于采集由物体反射回的至少部分光束并生成相应的光子信号，读出电路32用于对光子信号进行处理以绘制反映发射器中光源所发射脉冲波形的直方图，进一步地，也可以根据直方图计算飞行时间，最后将结果进行输出。其中，读出电路32可以是单个TDC电路及直方图电路组成，也可以由多个TDC电路单元及直方图电路单元组成的阵列读出电路。

在一个实施例中，当发射器11向被测物体发射斑点光束时，采集器12中的光学元件112会引导该斑点光束至相应的像素上，一般地，为了尽可能多地接受反射光束的光信号，单个斑点的大小被设置成对应于多个像素(这里的对应可以理解成成像，光学元件112一般包括成像透镜)，比如图3中单个斑点对应2×2＝4个像素，即该斑点光束反射回的光子会以一定的概率被对应的4个像素接受，为了便于描述，本发明中将对应的多个像素组成的像素区域称为“合像素”，合像素的大小可以根据实际需要进行设定，至少包含一个像素，比如可以是3×3、4×4大小。一般地，光斑是圆形、椭圆形等形状，合像素的大小应设置成与光斑大小相当，或者略小于光斑大小，但考虑到因被测量物体距离不同导致的放大倍数不一样，所以合像素的大小在设置时需要进行综合考虑。

图3所示实施例中，以像素单元31包含14×18个像素组成的阵列为例进行说明。一般地，发射器11与采集器12之间根据设置方式的不同测量系统10可以分为共轴与离轴，对于共轴情形，发射器11发出的光束经被测物体反射后将由采集器12中对应的合像素采集，合像素的位置不会因为被测物体的远近有影响；但对于离轴情形，由于视差的存在，当被测物体远近不同时，光斑落在像素单元上的位置也会发生变化，一般地会沿着基线(发射器11与采集器12之间的连线，本发明中统一用横向来表示基线方向)方向发生偏移，因此当被测物体的距离未知时，合像素的位置是不确定的，为了解决这一问题，本发明将设置超过合像素中像素数量的多个像素组成的像素区域(这里称为“超像素”)用于接受反射回的斑点光束，超像素的大小在设置时，需要同时考虑系统10的测量范围以及基线的长度，使得在测量范围内不同距离上物体反射回的斑点所对应的合像素均会落入在超像素区域内，即超像素的大小应超过至少一个合像素。一般地，超像素的尺寸沿与基线垂直方向与合像素相同，沿基线方向则大于合像素。超像素的数量一般与采集器12单次测量所采集到的斑点光束的数量相同，图3中为4×3。

在一个实施例中，超像素被设置成：当在测量范围的下限时，即近距时斑点落在超像素的一侧(左侧或右侧，取决于发射器11与采集器12的相对位置)；当在测量范围的上限时，即远距时斑点落在超像素的另一侧。图3所示实施例中，超像素被设置成2×6的大小，比如对于斑点363、373、383，分别对应的超像素是361、371和381，其中斑点363、373以及383分别是远、中、近距的物体反射回的斑点光束，所对应的合像素分别落在超像素的左侧、中间以及右侧。

在一个实施例中，合像素共享一个TDC电路单元，即由一个TDC电路单元与合像素中的每个像素连接，当合像素中的任意一个像素接受到光子并产生光子信号时，TDC电路单元均可以计算出该光子信号对应的飞行时间。这种情形比较适用于共轴情形，对于离轴情形，由于合像素位置会随着被测物体距离而改变。如图3所示实施例中，将包含4×3个TDC电路单元组成的TDC电路阵列。

在一个实施例中，超像素共享一个TDC电路单元，即由一个TDC电路单元与超像素中的每个像素连接，当超像素中的任意一个像素接受到光子并产生光子信号时，TDC电路单元均可以计算出该光子信号对应的飞行时间。由于超像素可以包含由离轴视差所引起的合像素偏移，所以超像素共享TDC可以应用于离轴情形。如图3所示实施例中，将包含4×3个TDC电路单元组成的TDC电路阵列。

共享TDC电路可以有效减少TDC电路的数量，从而可以降低读出电路的大小及功耗。

对于离轴情形，需要设置较多的像素来组成超像素，在单次测量(或者单次曝光)时间内，可采集的斑点数量将远小于像素数量，换句话说，所采集到的有效深度数据(飞行时间值)的分辨率要远小于像素分辨率，例如图3中像素分辨率为14×18，而斑点的分布为4×3，即单帧测量的有效深度数据分辨率为4×3。

为了提升测量深度数据的分辨率，可以通过多帧测量的方式，发射器11在多帧测量时所发射的斑点发生“偏离”，从而产生扫描效果，采集器12所接收到的斑点在多帧测量中也发生偏离，比如图3中相邻两帧测量分别对应的斑点是343、353，由此可以提升分辨率。在一个实施例中，可以通过对光源111上子光源的分组控制来实现斑点的“偏离”，即在相邻的两帧或多帧测量中，依次开启相邻的子光源，比如在首帧测量时，开启第一子光源阵列201，第二帧测量时，开启第二子光源阵列202，依次类推，不仅可以通过横向的分组控制也可以通过纵向的分组控制从而在二维方向上提升有效深度数据的分辨率。

对于多帧测量的斑点“偏离”，不同位置斑点所对应的超像素在设置时同样需要偏离，如图3所示斑点343对应的超像素为341，斑点353对应的超像素为351，超像素351相对于超像素341而言发生了横向偏移，并且超像素341与超像素351之间存在部分像素重叠，对于多帧测量的超像素之时有相互重叠的情形，为了保证TDC电路可以每帧能准确的对相应的超像素进行光子计数飞行时间测量，本申请提供了一种双重共享TDC电路的方案。

在一个实施例中，单个TDC电路单元所连接的像素区域将包括多帧测量中发生偏离的所有超像素所组成的区域，并且相邻两个TDC电路单元所对应的像素区域之间有重叠。具体地，图3所示实施例中，像素区域391共享一个TDC电路单元，像素区域391包含了6组子光源分别依次开启时的6帧测量所对应的6个超像素。同样地，相邻的像素区域392共享一个TDC电路单元，两个像素区域391、392之间有部分重叠，这就导致了有部分像素与两个TDC电路单元连接，在单帧测量时，根据所投射出的斑点，处理电路13会对相应的像素进行选通以使得其获取的光子信号进被单个TDC电路单元测量到，避免出现串扰、误差。在一个实施例中，TDC电路数量与单帧测量时采集器12所采集到的斑点数量相同，图3中为4×3个，每个共享TDC电路分别与4×10个像素连接，相邻的TDC电路单元所连接的像素区域之间有4×4个像素重叠。

下面对可调直方图电路方案进行描述，在单帧测量周期内，TDC电路将接收来自与其连接的超像素区域中像素的光子信号，并计算该信号与起始时钟信号的时间间隔(即飞行时间)，并将该时间间隔转换成温度码或二进制码保存到直方图电路中，通过多次测量之后直方图电路可以绘制出反应脉冲波形的直方图，基于该直方图就可以准确获取该脉冲的飞行时间。一般地，测量范围越大，要求TDC电路可测的时间区间越宽，另外若精度要求越高，要求TDC电路的时间分辨率越高，无论是时间区间越宽还是时间分辨率越高，都要求TDC电路使用较大的规模以输出的位数较多的二进制码，由于二进制码位数的增多，对直方图电路的存储器的存储量要求也就越高。存储器容量越大，成本越高，单片集成的量产难度也就越大。为此，本发明提供了一种直方图电路可调节的读出电路方案。

图4是根据本发明一个实施例的读出电路示意图。读出电路包括TDC电路41以及直方图电路42，TDC电路41采集到光子信号的时间间隔并将该时间间隔转化成时间码(二进制码、温度码等编码)，随后直方图电路42会基于该时间码并在其内部相应的时间单元(即用于保存时间信息的存储单元)上进行计数，比如加1，经过多次测量之后，可以将所有时间单元内的光子计数进行统计并绘制时间直方图。所绘制的直方图如图5所示，其中ΔT指的是时间单元的宽度，T₁、T₂分别指直方图绘制的起始与终止时刻，[T₁、T₂]是该直方图的时间区间，T＝T₂-T₁指的是总的时间宽度，时间单元ΔT的纵坐标即是相应存储单元内所存储的光子计数值，基于该直方图可以利用最高峰值法等方法确定脉冲波形的位置，并得到相应的飞行时间t。

在一个实施例中，直方图电路42包括地址译码器421、存储矩阵422、读出/写入电路424以及直方图绘制电路425。其中TDC电路将获取的反映时间间隔的时间码(二进制码、温度码等编码)输入至地址译码器421，并经地址译码器421转换成地址信息，该地址信息将被存储到存储矩阵422中。具体地，存储矩阵422包括多个存储单元423，即时间单元，每个存储单元423被预先配置一定的地址(或地址区间)，当地址译码器421所接收到的时间码地址与某个存储单元的地址一致或在该存储单元的地址区间内时，读出/写入电路424将会对相应的存储单元执行+1操作，即完成一次光子计数，多次测量后各个存储单元中的数据反映的是该时间间隔所接收到的光子数量。在单帧测量(多次测量)后存储矩阵422中所有存储单元的数据被读出至直方图绘制电路425中进行直方图绘制。

为了尽可能减少存储矩阵的存储量，实际上则需要减少存储单元423的数量，为此本申请中通过处理电路对直方图电路42施加控制信号以动态设置各个存储单元423的地址(地址区间)，从而进一步实现了对直方图时间分辨率ΔT和/或时间区间宽度T的动态控制。比如当存储单元423的数量不变的前提下，通过将存储单元423对应的地址区间设置为较大的时间间隔即增加时间单元的宽度ΔT，总的存储矩阵所能存储的时间间隔区间将变大，直方图总的时间间隔区间将变大，为了便于描述，将时间区间较大的直方图称为粗直方图；再比如可以通过将存储单元423对应的地址区间设置为较小的时间间隔，总的存储矩阵所能存储的时间间隔区间减小，但存储的时间分辨率将提升，直方图的时间分辨率将提升，相对于粗直方图而言，将时间区间较小的直方图称为细直方图。

本发明中，将通过在飞行时间测量过程中通过对直方图进行动态的粗-细调整来实现大范围、高精度的飞行时间测量。

图6是根据本发明一个实施例的动态直方图绘制飞行时间测量方法，包括以下几个步骤：

步骤一、以粗精度时间单元绘制粗直方图。即通过施加控制信号对存储矩阵422中的各个时间单元所对应的地址或地址区间进行配置，即设置好T与ΔT，在本步骤中将ΔT配置为较大的时间间隔ΔT₁。一般地，直方图时间区间T的设置需要考虑测量范围，时间间隔ΔT₁在设置时应考虑测量范围以及直方图存储单元数，即将测量范围对应的飞行时间分配到所有的直方图存储单元数上，比如平均分配或者非平均分配等，这样所有的存储单元可以覆盖住测量范围。随后经过多次测量，将每次测量得到的飞行时间值通过匹配以在相应的时间单元上进行加1操作，最终完成粗直方图的绘制。

步骤二、利用粗直方图计算出粗略飞行时间值t₁，基于粗直方图利用最大峰值法等方法可以找到脉冲波形位置，并读取相应的飞行时间，作为粗略飞行时间值t₁，该飞行时间值的精度或者最小分辨率即是时间单元的时间间隔ΔT₁。

当测量范围比较大、存储单元数量有限的情形下，ΔT₁会比较大，当光子数较多时，脉冲光子会淹没在背景光中，导致无法检测到脉冲波形。因此，在一些实施例中，可以将测量范围分成几个区间，每个区间分别对应各自的飞行时间区间，每个时间区间T的时间间隔ΔT可以相同，也可以不同。在进行粗直方图绘制时，可以逐个对每个时间区间进行绘制，由于被测物体的距离未知，其对应的飞行时间会落入到哪个时间区间也未知，因此有可能会在某个时间区间进行粗直方图绘制时无法检测到脉冲波形，即无法计算到粗略飞行时间值，对于这种情况，比如当步骤二中基于粗直方图无法找到波形位置时，再回到步骤一进行下一次的粗直方图绘制，直到在粗直方图中找到脉冲波形为止。当然也可能会因为误差或者物体距离太远导致一直无法找到脉冲波形，为了避免出现一直循环检测的问题，可以设定循环的次数，比如当粗直方图绘制次数超过一定的阈值(如3次)，就认为此次没有检测到目标，也可认为此次目标位于无穷远处，从而结束本次测量。

步骤三、根据所得到的粗略飞行时间值，以精细时间单元绘制细直方图。此时，由于已经知道飞行时间值的粗略值，则可以再进行一轮多次测量并绘制相应的直方图，此时直方图电路被控制信号控制后其存储矩阵422中的各个时间单元所对应的地址或地址区间被配置为较小的时间间隔ΔT₂。一般地，时间间隔ΔT₂在设置时仅需要对应一个较小的能包含真实飞行时间值的测量范围区间以及直方图存储单元数量即可，该测量范围区间在设置时可以以粗略飞行时间值为中间，两边增加一定的余量，比如可设置成[t₁-T’,t₁-T’]，其中T’设置的越小，时间间隔ΔT₂越小，分辨率越高，比如在一个实施例中，可以设置成T’＝5％T，由此所有时间单元的时间间隔总和仅为粗直方图对应时间区间的10％。在其他实施例中，余量与粗直方图时间区间的比值可以被设置在1％-25％的范围内。随后进行新一轮的多次测量，将每次所得到的飞行时间值通过匹配并在相应的时间单元上进行加1操作，完成细直方图的绘制。

步骤四、利用细直方图计算精细飞行时间t₂，基于细直方图利用最大峰值法等方法可以找到波形位置，并读取相应的飞行时间，作为精细飞行时间值t₂，该飞行时间值的精度或者最小分辨率即是时间单元的时间间隔ΔT₂。若以第三步骤中T’＝5％T的设置来说明，精细飞行时间相比于粗略飞行时间其精度提升了10倍(最小分辨率提升了10倍)。

上述直方图动态粗细调整的测量方法实质上是先在较大的测量范围内进行粗略定位，再基于定位结果进行精细测量的过程。可以理解的是，上述粗细调整的方法也可以是被扩展到三步或更多步的测量中，比如在一个实施例中，先以第一时间分辨率进行测量得到第一飞行时间，再基于第一飞行时间以第二时间分辨率进行测量得到第二飞行时间，最后基于第二飞行时间以第三时间分辨率进行测量得到第三飞行时间。三次的精度依次提升，最终可以实现更高精度的测量。

在一个实施例中，由于直方图绘制时仅对位于其时间区间T内的飞行时间值进行计数，因此对于测量系统采集器12中的各个像素，可以在指定的时间区间内被激活(使能)，从而降低功耗，该指定的时间区间一般要包含直方图绘制的时间区间T。比如当直方图的时间区间为[3ns,10ns]，像素被激活的时间区间可以设置成[2.5ns,10.5ns]。

可以理解的是，上述测量方法不仅适用于共轴距离测量系统中，也适用于离轴测量系统中。特别需要说明的是，对于包含图3所示采集器的离轴测量系统中，直方图动态调整方案可以进一步用来进行超像素定位不仅可以提升精度还可以降低功耗。图7是根据本发明又一个实施例的飞行时间测量方法。以下将结合图3进行说明，方法包括以下几个步骤：

步骤一、接收超像素TDC输出信号，以粗精度时间单元绘制粗直方图。由于在测量之前不清楚物体的距离，因此无法对斑点的位置即无法明确合像素的位置，合像素根据物体的远近可能会落入超像素的不同位置。因此在本步骤中，首先对超像素中的各个像素进行使能使其均处于激活状态以接收光子，并接收该超像素的共享TDC输出的光子信号，随后进行直方图绘制。直方图采用图6所示的动态调整直方图方案，在本步骤中将采用粗精度时间单元绘制出粗直方图。

步骤二、利用粗直方图计算出粗略飞行时间值t₁，基于粗直方图利用最大峰值法等方法可以找到波形位置，并读取相应的飞行时间，作为粗略飞行时间值t₁，该飞行时间值的精度或者最小分辨率即是时间单元的时间间隔ΔT₁。

当测量范围比较大、存储单元数量有限的情形下，ΔT₁会比较大，当光子数较多时，脉冲光子会淹没在背景光中，导致无法检测到脉冲波形。因此，在一些实施例中，可以将测量范围分成几个区间，每个区间分别对应各自的飞行时间区间，每个时间区间T的时间间隔ΔT可以相同，也可以不同。在进行粗直方图绘制时，可以逐个对每个时间区间进行绘制，由于被测物体的距离未知，其对应的飞行时间会落入到哪个时间区间也未知，因此有可能会在某个时间区间进行粗直方图绘制时无法检测到脉冲波形，对于这种情况，比如当步骤二中基于粗直方图无法找到波形位置时，再回到步骤一进行下一次的粗直方图绘制，直到在粗直方图中找到脉冲波形为止。当然也可能会因为误差或者物体距离太远导致一直无法找到脉冲波形，为了避免出现一直循环检测的问题，可以设定循环的次数，比如当粗直方图绘制次数超过一定的阈值(如3次)，就认为此次没有检测到目标，也可认为此次目标位于无穷远处，从而结束本次测量。

步骤三、根据所得到的粗略飞行时间值，定位合像素并以精细时间单元绘制细直方图。由于已经明确了粗略的飞行时间值，因此可以基于该粗略飞行时间值以及视差定位于合像素的位置，一般地需要提前将合像素的位置与粗略飞行时间值之间的关系保存到系统中以用于在获取粗略飞行时间值之后可以根据该关系直接定位出合像素的位置；随后基于该合像素的位置，仅对合像素进行激活，同时以精细时间单元绘制细直方图。由于已经知道飞行时间值的粗略值，则可以再进行一轮多次测量并绘制相应的直方图，此时直方图电路被控制信号控制后其存储矩阵422中的各个时间单元所对应的地址或地址区间被配置为较小的时间间隔ΔT₂。一般地，时间间隔ΔT₂在设置时仅需要对应一个较小的能包含真实飞行时间值的测量范围区间以及直方图存储单元数量即可，该测量范围区间在设置时可以以粗略飞行时间值为中间，两边增加一定的余量，比如可设置成[t₁-T’,t₁-T’]，其中T’设置的越小，时间间隔ΔT₂越小，分辨率越高，比如在一个实施例中，可以设置成T’＝5％T，由此所有时间单元的时间间隔总和仅为粗直方图对应时间区间的10％。在其他实施例中，余量与粗直方图时间区间的比值可以被设置在1％-25％的范围内。随后进行新一轮的多次测量，将每次所得到的飞行时间值通过匹配并在相应的时间单元上进行加1操作，完成细直方图的绘制。

步骤四、利用细直方图计算精细飞行时间t₂，基于细直方图利用最大峰值法等方法可以找到波形位置，并读取相应的飞行时间，作为精细飞行时间值t₂，该飞行时间值的精度或者最小分辨率即是时间单元的时间间隔ΔT₂。若以第三步骤中T’＝5％T的设置来说明，精细飞行时间相比于粗略飞行时间其精度提升了10倍(最小分辨率提升了10倍)。

上述直方图动态粗细调整的测量方法实质上是先在较大的测量范围内进行粗略定位，再基于定位结果进行精细测量的过程。可以理解的是，上述粗细调整的方法也可以是被扩展到三步或更多步的测量中，比如在一个实施例中，先以第一时间分辨率进行测量得到第一飞行时间，再基于第一飞行时间以第二时间分辨率进行测量得到第二飞行时间，最后基于第二飞行时间以第三时间分辨率进行测量得到第三飞行时间。三次的精度依次提升，最终可以实现更高精度的测量。

在一个实施例中，由于直方图绘制时仅对位于其时间区间T内的飞行时间值进行计数，因此对于测量系统采集器12中的各个像素，可以在指定的时间区间内被激活(使能)，从而降低功耗，该指定的时间区间一般要包含直方图绘制的时间区间T。比如当直方图的时间区间为[3ns,10ns]，像素被激活的时间区间可以设置成[2.5ns,10.5ns]。

下面对基于插值的飞行时间测量方法进行说明，图2及图3实施例中介绍了通过多帧测量提升分辨率的示例，可以理解的是，在进行多帧测量时，各帧深度数据的测量均可以采用图6或图7所示的直方图动态调整方案。比如开启第一子光源阵列201时，进行动态粗-细直方图绘制得到第一帧深度图像；开启第二子光源阵列202时，进行动态粗-细直方图绘制得到第二帧深度图像；融合第一、二帧深度图像得到更高分辨率的深度图像。在一些实施例中，也可以采集3帧以上的深度图像并融合成更高分辨率的深度图像。

然而，若在每帧深度图像采集时都需要进行粗细动态调整，每张高分辨率融合深度图像的采集时间会相对较长，整体帧率不高。为尽可能提升帧率，本发明提供一种图8所示的根据本发明一个实施例的基于插值的飞行时间测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、获取与第一光源对应的第一合像素的第一飞行时间。在本步骤中，开启发射器11中的第一光源以发射出第一光源对应的斑点光束，该斑点光束会落入到采集器12中像素单元31上的合像素上，以图3中4×3的实线圆所代表的斑点为例，处理电路进一步可以获取该合像素的第一飞行时间，比如可以通过图6或图7所示实施例中的粗-细动态调整方案或者其他任意方案可以获取该合像素的精细飞行时间(第一飞行时间)。

步骤二、通过插值计算得到与第二光源对应的第二超像素的第二飞行时间。当开启第二光源时，将发射出与第一光源对应的斑点光束相邻的斑点光束，该斑点光束同样会落入到采集器12的合像素上，为了方便示意，仅在图3中用虚线圆绘制出一个斑点353，斑点353与斑点343在空间上因为第一光源与第二光源的位置错开导致斑点位置错开，因此各自对应的合像素也会错开。一般地，当空间点相距比较近时，两个点的距离相差也不会太大。因此在一个实施例中，可以将步骤一中获取的斑点343对应合像素的飞行时间值做为斑点353对应的超像素351的第二飞行时间值(粗略飞行时间)，后续再进行精细飞行时间计算。在一个实施例中，斑点353的超像素第二飞行时间值的估计可以利用其周边多个第一光源所对应的合像素，比如利用左右两个合像素的飞行时间值进行插值得到。插值可以是一维插值也可以是二维插值，插值方法可以是线性插值、样条插值、多项式插值等插值方法中的至少一种。

步骤三、根据第二飞行时间，定位与第二光源对应的第二合像素并绘制直方图。通过插值得到第二飞行时间后，基于该飞行时间以及视差就可以定位与斑点在超像素中的位置，即合像素的位置，随后基于该合像素的位置，仅对合像素进行激活，同时以精细时间单元绘制直方图。

步骤四、利用直方图计算第三飞行时间，基于直方图利用最大峰值法等方法可以找到波形位置，并读取相应的飞行时间，作为第三(精细)飞行时间值t₂，该飞行时间值的精度或者最小分辨率即是时间单元的时间间隔ΔT₂。

上述步骤中的飞行时间测量方法与图6或图7所述的方法相比，仅少数斑点的飞行时间计算需要利用粗-细直方图绘制方式，至少需要进行2帧飞行时间测量才能得到高精度的飞行时间值，大部分斑点的飞行时间计算可以利用已知斑点的飞行时间值进行插值作为粗直方图的粗略飞行时间值，并基于该粗略飞行时间值仅需要单次的精细直方图绘制即可，由此可以大大提升效率。比如，若光源分成6组，仅第一组光源开启时需要进行粗-细测量，随后的5组在开启后进行飞行时间测量时均仅需要进行单次的细测量即可。

在一些实施例中，考虑到被测物体表面往往存在跳变，即距离差展异较大的情形，此时插值难以得到准确的飞行时间值，因此基于插值的结果进行细测会引起误差。因此可以在步骤二中的插值之前进行一次判断，比如将要进行插值计算的多个斑点对应的合像素的(比如左右两个斑点)飞行时间值相差大于某一阈值时，表面这两个斑点之间的物体表面深度值存在跳变，这两个斑点之间的斑点将依然保持粗-细直方图绘制的测量方案，只要当小于该减值时，才执行插值计算。

在一些实施例中，第一合像素的第一飞行时间也可以是粗略飞行时间，即对第一合像素的第一飞行时间解调计算时仅需要进行单次的粗略直方图绘制，随后将基于该粗略直方图绘制得到的粗略飞行时间进行插值。

可以理解的是，当将本发明的距离测距系统嵌入装置或硬件中时会作出相应的结构或部件变化以适应需求，其本质仍然采用本发明的距离测距系统，所以应当视为本发明的保护范围。以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

此外，本发明的范围不旨在限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将容易理解，可以利用执行与本文所述相应实施例基本相同功能或获得与本文所述实施例基本相同结果的目前存在的或稍后要开发的上述披露、过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其范围内。

Claims (11)

1.一种动态直方图绘制飞行时间距离测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、以第一精度时间单元绘制第一直方图；

S2、利用所述第一直方图计算第一飞行时间；

S3、根据所述第一飞行时间并以第二精度时间单元绘制第二直方图；

S4、利用所述第二直方图计算第二飞行时间。

2.如权利要求1所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于：所述第一精度时间单元与所述第二精度时间单元的地址被预先配置以使得所述第一直方图的时间区间大于所述第二直方图的时间区间。

3.如权利要求1所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于：所述第一精度时间单元与所述第二精度时间单元的地址被预先配置以使得所述第一直方图的时间分辨率小于所述第二直方图的时间分辨率。

4.如权利要求1所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于：基于所述第一或第二直方图利用最大峰值法定位出脉冲波形位置并计算出所述第一和/或第二飞行时间。

5.如权利要求1所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于：当所述步骤S2中利用所述第一直方图无法计算出第一飞行时间时，返回到步骤S1继续绘制第一直方图，直到计算出第一飞行时间为止。

6.如权利要求1所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于：所述第一直方图的时间区间根据测量范围及所述直方图的时间单元数量确定。

7.如权利要求1所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于：所述第二直方图的时间区间根据所述第一飞行时间来确定。

8.如权利要求7所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于：所述第二直方图的时间区间是以所述第一飞行时间为中间，两边增加一定的余量来确定。

9.如权利要求8所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于：所述余量被设置成所述第一直方图时间区间的1％-25％。

10.如权利要求1所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于：所述第一直方图或第二直方图在绘制时，对应的像素在采集光子时仅在包含所述第一直方图或第二直方图的时间区间的时间范围内被激活。

11.一种动态直方图绘制飞行时间距离测量系统，其特征在于，包括：

发射器，经配置以发射脉冲光束；

采集器，经配置以采集被物体反射回的所述脉冲光束中的光子并形成光子信号；

处理电路，与所述发射器以及所述采集器连接，用于执行以权利要求1-10任一项所述的方法进行绘制直方图并基于所述直方图计算飞行时间。