CN110632769B - 一种光斑投射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及光学领域，公开了一种光斑投射装置。本发明中光斑投射装置，包括：光源发生器，光源发生器用于为光线投射器提供入射光线；光线投射器，光线投射器用于将入射光线进行投射，且至少投射形成第一光斑投影区域和第二光斑投影区域，其中，第一光斑投影区域内光斑的密度大于第二光斑投影区域内光斑的密度。本光斑投射装置，使得该光斑投射装置投射光斑分为疏密区域，便于后续图像匹配过程中减少计算成本，以及提高对图像匹配的精度。

Description

一种光斑投射装置
技术领域
本发明实施例涉及光学领域，特别涉及一种光斑投射装置。
背景技术
双目立体视觉(Binocular Stereo Vision)是机器视觉的一种重要形式，它是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息的方法。视差就是从有一定距离的两个点上观察同一个目标所产生的方向差异。
双目视觉最重要的一个环节是找到一个物体在两个相机成像平面上对应的相素点，由此来计算视差，近而得到深度图，这个过程称为立体匹配。通常采用特征匹配的方法来寻找两张图片中相同的匹配点，也就是先对左图进行特征点提取，然后在右图中寻找具有相同特征的点。这种方法对多数场景是有效的，但是对于没有纹理的场景，平坦区域，比如一面白墙，几乎没有明显的特征值可以对比，这样就需要使用红外投射装置发出光斑来增加被拍摄物的纹理，通常的方法是在拍照的时刻开启红外投射装置并发出光斑，这样拍到的照片包含被拍摄物叠加投射出的光斑，即可提取特征进行图像匹配。
发明人发现相关技术中至少存在如下问题：目前的红外投射装置投射的光斑增加了被测物表面的纹理，但是后续进行图像匹配时需要对光斑投射区域内的图像都进行匹配计算，计算成本高，且图像匹配的精度低。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种光斑投射装置，使得该光斑投射装置投射光斑分为疏密区域，便于后续图像匹配过程中减少计算成本，以及提高对图像匹配的精度。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种光斑投射装置，包括：光源发生器，光源发生器用于为光线投射器提供入射光线；光线投射器，光线投射器用于将入射光线进行投射，且至少投射形成第一光斑投影区域和第二光斑投影区域，其中，第一光斑投影区域内光斑的密度大于第二光斑投影区域内光斑的密度。
本发明实施方式相对于现有技术而言，光线投射器将光源发生器产生的入射光线进行投射，至少形成第一光斑区域和第二光斑投影区域，且该第一光斑投影区域内光斑密度大于第二光斑投影区域内光斑的密度；由于该光斑投射装置投射出光斑密度不同的两个光斑投影区域，可以将光斑密度不同的区域照射在不同的地方，从而使得被第一光斑投影区域照射的表面的纹理特征高于被第二光斑投影区域照射的表面的纹理特征，由于光斑密度大，可提取的纹理特征多，更便于后续进行特征计算，以及特征匹配；而光斑密度小，纹理特征少，可以减少对特征的计算；利用该特性，使得对光斑投射区域内的图像都立体匹配过程中，可以仅对第一光斑投影区域的图像进行精细匹配，而对第二光斑投影区域的图像进行粗略匹配，从而提高匹配精度，降低计算成本。
另外，光线投射器包括：光栅，光栅的表面具有第一刻痕区域和第二刻痕区域，第一刻痕区域的刻痕密度大于第二刻痕区域的刻痕密度，以使经过光栅的入射光线形成第一光斑投影区域和第二光斑投影区域。通过改变光栅上刻痕的刻痕密度，从而使得入射光线经过光栅形成第一光斑投影区域和第二光斑投影区域，简单快捷，且灵活多变。
另外，第一刻痕区域位于第二刻痕区域中间，且第一刻痕区域的刻痕密度和第二刻痕区域的刻痕密度呈从第一刻痕区域的中间向周围递减。第一刻痕区域位于第二刻痕区域中间，使得第一光斑投影区域位于第二光斑投影区域内，便于一个光斑投影区域可以投影在需要获取精准特征的区域。
另外，光线投射器还包括：光束整形器和/或光线投射镜；光束整形器设置在光源发生器与光栅之间，光束整形器将进入其中的入射光线整形为平行光束；光线投射镜设置在光栅出射光线的传播路径上。通过光束整形器和/或光线投射镜，使得可以快速形成第一光斑投影区域和第二光斑投影区域。
另外，若光线投射器包括光束整形器，光束整形器包括：光线扩束元件和光线准直元件，光线扩束元件和光线准直元件沿光线的出射方向依次排列。通过光线扩束元件可以将入射光线变为多条入射光束，入射光束通过光线准直元件可以变为多条平行的入射光束。
另外，光源发生器包括：第一发生器和第二发生器，光线投射器的数目为两个，两个光线投射器分别为：第一光线投射器和第二光线投射器，第一光线发生器与第一光线投射器生成第一光斑投影区域，第二发生器与第二光线投射器生成第二光斑投影区域。第一发生器和第一光线投射器对应，第二发生器和第二光线投射器对应，通过第一光线发生器和第一光线投射器形成第一光斑投影区域，第二发生器与第二光线投射器生成第二光斑投影区域，通过两套装置可以快速形成对应的光斑投影区域。
另外，第一光线投射器和第二光线投射器平行设置，且第一光线投射器和第二光线投射器之间的距离小于预设距离。第一光线投射器和第二光线投射平行设置，可以确保形成的第一光斑投影区域和第二光斑投影区域有共同的中心。
另外，第一光线投射器的投射角度的范围为0～50度，第二光线投射器的投射角度的范围为80～120度，且第一光线投射器和第二光线投射器的投射角度之差大于预设的角度阈值。第一投射器的投射角度与人眼重点观察物体的视角范围相似，而第二光线投射器的投射角度的范围与人眼观察物体的最大视角范围相似，使得该光斑投射装置与深度信息确定装置配合使用，便于更好得到被测物体的深度信息。
另外，第一光斑投影区域被投射在被测物体表面的第一待测区域，第二光斑投影区域被投射在被测物体表面的第二待测区域，其中，第一待测区域的第一图像和第二待测区域的第二图像用于供深度信息确定装置计算被测物体的深度信息。与深度信息装置配合使用，可以快速准确地确定出被测物体的深度信息。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是根据本发明第一实施方式中的光斑投射装置的一种具体结构示意图；
图2是根据本发明第一实施方式中一种光栅的俯视示意图；
图3是根据本发明第一实施方式中另一种光栅的俯视示意图；
图4是根据本发明第一实施方式中光斑投射装置的另一种结构示意图；
图5是根据本发明第二实施方式中光斑投射装置的具体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
发明人发现在双目视觉确定被测物体的深度信息过程中，通常需要使用光斑投射装置，向被测物的表面投射光斑，并分别获取左摄像头拍摄该被测物体的左图像以及获取该右摄像头拍摄该被测物体的右图像，由于左、右图像中均有光斑，从而增加了该图像中被测物体表面的纹理，从而便于提取该左右图像中的纹理特征进行匹配，利用左右图像之间的视差，确定出该被测物体的深度信息。在被测物体的图像中往往有感兴趣区域，但是由于目前的光斑投射装置投射出的光斑都是均匀分布，导致在进行特征匹配的过程中，需要计算整个图像的纹理特征，才能进行匹配，这大大增加了计算成本，若投射的光斑过于稀疏，又会降低图像匹配的精度。
本发明的第一实施方式涉及一种光斑投射装置。该光斑投射装置1的具体结构如图1所示，包括：光源发生器10和光线投射器20。
该光源发生器10用于为光线投射器20提供入射光线；该光线投射器20用于将入射光线进行投射，且至少投射形成第一光斑投影区域和第二光斑投影区域，其中，第一光斑投影区域内光斑的密度大于第二光斑投影区域内光斑的密度。
具体的说，光源发生器10产生的入射光线可以是红外光线，如：不可见红外光线。该光源发生器10产生的不可见红外光线照射在光线投射器20上，该入射光线经过光线投射器20，至少形成第一光斑投影区域和第二光斑投影区域，其中，第一光斑区域内的光斑和第二光斑投影区域内的光斑的形状可以相同，也可以不同，且光斑的形状可以根据需要设置，例如，光斑的形状可以是圆形、方形、三角形等。第一光斑投影区域内的光斑密度大于第二光斑投影区域的光斑密度。可以理解的是，第一光斑投影区域内的光斑可以不是均匀分布，也可以是均匀分布的；第二光斑投影区域内的光斑同样可以是均匀分布，也可以是分均匀分布的。
一个具体的实现中，该光线投射器20包括：光栅，光栅的表面具有第一刻痕区域和第二刻痕区域，第一刻痕区域的刻痕密度大于第二刻痕区域的刻痕密度，以使经过光栅的入射光线形成第一光斑投影区域和第二光斑投影区域。
具体的说，第一刻痕区域可以位于第二刻痕区域中间，且第一刻痕区域的刻痕密度和第二刻痕区域的刻痕密度呈从第一刻痕区域的中间向周围递减，该光栅可以是衍射光栅，通常刻痕为不透光的材质，入射光线通过该光栅上的第一刻痕区域，可以形成第一光斑投影区域，入射光线通过光栅上的第二刻痕区域，可以形成第二光斑投影区域。且由于第一刻痕区域位于该第二刻痕区域中间，使得形成的第一光斑投影区域位于第二光斑投影区域中间，这便于光斑的第一光斑投影区域投射在被测物体的重点观察区域。另外，第一光斑投影区域和第二光斑投影区域是连续的，为无缝衔接，避免出现无光斑区域，提高被测物体表面的纹理特征。该光栅中的刻痕区域可以如图2所示，该图2为光栅俯视图，S1为第一刻痕区域，S2为第二刻痕区域。
可以理解的是，光栅的表面还包括第三刻痕区域，第三刻痕区域的刻痕密度小于第一刻痕区域的刻痕密度；第一刻痕区域位于第二刻痕区域和第三刻痕区域之间，其中，入射光线经过第三刻痕区域，形成第三光斑投影区域。该光栅中的刻痕区域如图3所示，S1为第一刻痕区域，S2为第二刻痕区域，S3为第三刻痕区域，其中，第二刻痕区域的刻痕密度和第三刻痕区域的刻痕密度可以相同，也可以不相同。
在另一个具体的实现中，该光线投射器20还包括：光束整形器和/或光线投射镜；光束整形器设置在光源发生器与光栅之间，光束整形器将进入其中的入射光线整形为平行光束；光线投射镜设置在光栅出射光线的传播路径上。
具体的说，光线投射器20还可以包括光束整形器202，或者包括光线投射镜203，或者包括该光束整形器202和光线投射镜203。该光束整形器包括：光线扩束元件2021和光线准直元件2022，光线扩束元件2021和光线准直元件2022沿光线的出射方向依次排列。本实施方式中以该光线投射器包括光束整形器202和光线投射镜203为例，该光线投射器的具体结构如图4所示，该光斑投射装置的结构还可以如图4所示，图4中，10为光源发生器，20为光线投射器，201为光栅、202为光束整形器，203为光学投射镜，2021为光学扩束元件，2022为光学准直元件。
入射光线先经过光线扩束元件2021，将入射光线分为多个入射光束，入射光束经过光线准直元件2022，变为多条平行的入射光束；多条平行的入射光束照射在衍射光栅201上，经过衍射光栅201，并经过光学投射镜203，将形成的光斑投射出去，形成第一光斑投影区域和第二光斑投影区域。
值得一提的是，该光斑投射装置与深度信息确定装置配合使用，第一光斑投影区域被投射在被测物体表面的第一待测区域，第二光斑投影区域被投射在被测物体表面的第二待测区域，其中，第一待测区域的第一图像和第二待测区域的第二图像用于供深度信息确定装置计算被测物体的深度信息。
具体的说，该第一待测区域可以是该被测物体表面需要进行精细地特征匹配的区域，如，感兴趣区域。该第二待测区域可以是被测物体表面中可以进行初略地特征匹配的区域，如被测物体表面的周边区域。深度信息确定装置根据第一待测区域的第一图像和第二待测区域的第二图像计算被测物体的深度信息。深度信息的确定可以通过多张包含第一待测区域的第一图象和第二待测区域的第二图像计算得到；第一图像还可以包括第一左图像和第一右图像，第一左图像为左边摄像机拍摄该第一被测区域的图像，第一右图像为右边摄像机拍摄该第一被测区域的图像；第二图像可以包括第二左图像和第二右图像，第二左图像为左边摄像机拍摄该第二被测区域的图像，第二右图像为右边摄像机拍摄该第二被测区域的图像，利用第一左图像和第一右图像之间的视差，以及第二左图像和第二右图像之间的视差，计算被测物体的深度信息。由于第一待测区域内的光斑密度大于第二待测区域内的光斑密度，光斑密集的区域，特征提取更准确，光斑稀疏区域，特征提取快速，计算的成本小；从而分区域，使得可以快速且准确地进行待测物体的特征提取。
本发明实施方式相对于现有技术而言，光线投射器将光源发生器产生的入射光线进行投射，至少形成第一光斑区域和第二光斑投影区域，且该第一光斑投影区域内光斑密度大于第二光斑投影区域内光斑的密度；由于该光斑投射装置投射出光斑密度不同的两个光斑投影区域，可以将光斑密度不同的区域照射在不同的地方，从而使得被第一光斑投影区域照射的表面的纹理特征高于被第二光斑投影区域照射的表面的纹理特征，由于光斑密度大，可提取的纹理特征多，更便于后续进行特征计算，以及特征匹配；而光斑密度小，纹理特征少，可以减少对特征的计算；利用该特性，使得对光斑投射区域内的图像都立体匹配过程中，可以仅对第一光斑投影区域的图像进行精细匹配，而对第二光斑投影区域的图像进行粗略匹配，从而提高匹配精度，降低计算成本。
本发明的第二实施方式涉及一种光斑投射装置。第二实施方式是对第一实施方式的进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第二实施方式中，光源发生器包括：第一发生器10-1和第二发生器10-2，光线投射器的数目为两个，两个光线投射器分别为：第一光线投射器20-1和第二光线投射器20-2，第一光线发生器10-1与第一光线投射器20-1生成第一光斑投影区域S1，第二发生器10-2与第二光线投射器20-2生成第二光斑投影区域S2。该光斑投射装置的具体结构如图5所示。
具体的说，该第一发生器10-1和第一光线投射器20-1组成一对，用于生成第一光斑投影区域S1；第二发生器10-2和第二光线投射器20-2组成一对，用于生成第二光斑投影区域S2。该第一光线投射器20-1内的光栅中刻痕可以为均匀刻痕，也可以为非均匀刻痕，同理，第二光线投射器20-2内的光栅中刻痕也可以为均匀刻痕，也可以为非均匀刻痕。
第一光线投射器20-1和第二光线投射器20-2平行设置，且第一光线投射器20-1和第二光线投射器20-2之间的距离小于预设距离。预设距离可以为与0接近的非零正数，例如，预设距离为1厘米。可以理解的是，该第一发生器10-1和第二发生器10-2也平行设置，且第一发生器10-1与第一光线投射器20-1处于直线，第二发生器10-2和第二光线投射器20-2处于同一直线。
为了模拟人眼观察事物的方式，第一光线投射器20-1的投射角度的范围可以为0～50度，第二光线投射器20-2的投射角度的范围为80～120度，且第一光线投射器20-1和第二光线投射器20-2的投射角度之差大于预设的角度阈值。例如：角度阈值可以设置为30度，第一光线投射器20-1的投射角度可以为50度，第二光线投射器20-2的投射角度为120度。
第一光斑投影区域S1可以位于第二光斑投影区域S2内，且第一光斑投影区域S1的中心点与第二光斑投影区域S2的中心点重合。预设距离越小，第一光斑投影区域S1的中心点与第二光斑投影区域S2的中心点越接近，越容易重合。由于第一光斑投影区域S1位于第二光斑投影区域S2内，还可以进一步藏家第一光斑投影区域S1内的光斑数量。
需要说明的是，本实施方式中的第一光线投射器和第二光线投射器还可以采用如第一实施方式中的光线投射器，即第一光线投射器中的光栅包括第一刻痕区域和第二刻痕区域，且第一刻痕区域的刻痕密度大于第二刻痕区域的刻痕密度；第二光线投射器中的光栅也包括第一刻痕区域和第二刻痕区域，且第一刻痕区域的刻痕密度大于第二刻痕区域的刻痕密度。
本实施方式中提供的光斑投射装置，第一发生器和第一光线投射器对应，第二发生器和第二光线投射器对应，通过第一光线发生器和第一光线投射器形成光斑投影区域，第二发生器与第二光线投射器生成第二光斑投影区域，通过两套装置各自形成对应的光斑投影区域，形成快速，方便。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种光斑投射装置，其特征在于，包括：
光源发生器，所述光源发生器用于为光线投射器提供入射光线；
光线投射器，所述光线投射器用于将所述入射光线进行投射，且至少投射形成第一光斑投影区域和第二光斑投影区域，所述第一光斑投影区域位于所述第二光斑投影区域内，且所述第一光斑投影区域的中心点与所述第二光斑投影区域的中心点重合，其中，所述第一光斑投影区域内光斑的密度大于所述第二光斑投影区域内光斑的密度；
光栅，所述光栅的表面具有第一刻痕区域和第二刻痕区域，所述第一刻痕区域的刻痕密度大于所述第二刻痕区域的刻痕密度，以使经过所述光栅的入射光线形成所述第一光斑投影区域和所述第二光斑投影区域；
所述第一刻痕区域位于所述第二刻痕区域中间，且第一刻痕区域的刻痕密度和第二刻痕区域的刻痕密度呈从第一刻痕区域的中间向周围递减。
2.根据权利要求1所述的光斑投射装置，其特征在于，所述光线投射器还包括：光束整形器和/或光线投射镜；
所述光束整形器设置在所述光源发生器与所述光栅之间，所述光束整形器将进入其中的入射光线整形为平行光束；
所述光线投射镜设置在所述光栅出射光线的传播路径上。
3.根据权利要求2所述的光斑投射装置，其特征在于，若所述光线投射器包括光束整形器，所述光束整形器包括：光线扩束元件和光线准直元件，所述光线扩束元件和光线准直元件沿光线的出射方向依次排列。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光斑投射装置，其特征在于，所述光源发生器包括：第一发生器和第二发生器，所述光线投射器的数目为两个，两个所述光线投射器分别为：
第一光线投射器和第二光线投射器，所述第一发生器与所述第一光线投射器生成所述第一光斑投影区域，所述第二发生器与所述第二光线投射器生成所述第二光斑投影区域。
5.根据权利要求4所述的光斑投射装置，其特征在于，所述第一光线投射器和所述第二光线投射器平行设置，且所述第一光线投射器和所述第二光线投射器之间的距离小于预设距离。
6.根据权利要求4所述的光斑投射装置，其特征在于，所述第一光线投射器的投射角度的范围为0～50度，所述第二光线投射器的投射角度的范围为80～120度，且所述第一光线投射器和所述第二光线投射器的投射角度之差大于预设的角度阈值。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光斑投射装置，其特征在于，所述第一光斑投影区域被投射在被测物体表面的第一待测区域，所述第二光斑投影区域被投射在所述被测物体表面的第二待测区域，其中，所述第一待测区域的第一图像和所述第二待测区域的第二图像用于供深度信息确定装置计算所述被测物体的深度信息。
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