CN112100449A - 实现动态大范围和高精度定位的d-ToF测距优化存储方法 - Google Patents

Abstract

一种实现动态大范围和高精度定位的d‑ToF测距优化存储方法，包括如下步骤：S1、直方图控制器基于系统动态设置的最大测距范围、测距精度，确定构造粗‑细逐层细化的直方图的基本参数，并完成系统的初始化：层索引n＝0；峰值索引PeakIdx＝0；S2、直方图控制器基于PeakIdx计算当前层的有效起始基础时间单元IdxStart；S3、直方图构造单元进行当前层的配置信息，完成对应信道直方图单元的直方图构造；S4、直方图查找单元基于构造的直方图完成峰值查找；S5、当完成所有层构造的直方图的峰值查找后，输出最终的定位索引，否则返回步骤S2。本发明在d‑ToF系统的直方图物理存储已固化情况下，可通过多次动态构建粗‑细的直方图，实现大范围和高精度的定位性能。

Description

实现动态大范围和高精度定位的d-ToF测距优化存储方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种动态构造直方图实现ToF图像感应器的定位测距方法。

背景技术

Time-of-Flight(ToF)是一种利用光飞行时间的技术。ToF系统主要包括发射端和接收端，其传感器给出光源驱动芯片调制信号，调制信号控制激光器发出高频调制的近红外光，遇到物体漫反射后，接收端通过发射光与接收光的相位差或时间差来计算深度信息。ToF和结构光、双目立体视觉是近年来三种主流的3D成像方式。ToF向场景中发射近红外光，利用光的飞行时间信息，测量场景中物体的距离。ToF相比较另外两种3D成像方式，深度信息计算量小，抗干扰性强，测量范围远。种种优势推动了ToF在机器人、交互以及其他工业领域的应用。

d-ToF(direct ToF)直接测量光脉冲的发射和接收的时间差。d-ToF技术采用SPAD(Single Photon Avalanche Diode,单光子雪崩二极管)来实现高灵敏度的光探测，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(Time-Correlated Single-Photon Counting,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，根据这一个时间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D_max，对应的最大飞行时间是t1＝2D_max/c＝N*Δt，其中c为光速，N为系统必须支持的最小时间信道个数。由以上可知，若需要扩大系统的定位范围，可通过两种方式实现，一，固定信道个数N，增加基础时间单元Δt，其会降低定位精度；二、保持基础时间单元Δt，保证系统的极限定位精度，增加信道个数N。信道N的增加，必然增加系统的直方图的存储内存。在产品的应用中，难免需要兼顾远、近距离的定位需求，若在保证系统定位精度的前提，为了兼顾远距离的定位，其直方图的物理存储需要依据远距离的存储需求进行硬化，将增加芯片成本，且针对定位范围的进一步的扩展将不能实现。

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

本发明的目的是提供一种支持动态大范围和高精度的d-ToF测距优化存储方法，使系统已固定物理存储大小在保持系统定位精度即TDC输出的基础时间单元不变设置下，实现大范围和高精度的定位性能。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案如下：

一种实现动态大范围和高精度定位的d-ToF测距优化存储方法，包括如下步骤：

S1、直方图控制器基于系统动态设置的最大测距范围、测距精度，确定构造粗-细逐层细化的直方图的基本参数，并完成系统的初始化：层索引n＝0；峰值索引PeakIdx＝0；

S2、直方图控制器基于PeakIdx计算当前层的有效起始基础时间单元IdxStart；

S3、直方图构造单元进行当前层的配置信息，完成对应信道直方图单元的直方图构造；

S4、直方图查找单元基于构造的直方图完成峰值查找；

S5、当完成所有层构造的直方图的峰值查找后，输出最终的定位索引，否则返回步骤S2；

进一步地，步骤S1中，所述直方图控制器基于系统动态设置的最大测距范围，要求的测距精度，结合TDC输出的基本时间单元Δt，片上存储的最大内存确定以下基本配置信息：所述直方图构造单元构造粗-细直方图的层数，每层的时间单元宽度ΔT_i，时间通道个数BN_i的配置。

进一步地，步骤S1中，所述直方图控制器对每层配置直方图时间单元，基于实际应用的定位精度需求，动态设置最终层细直方图的时间单元精度ΔT_last，最小支持ΔT_last＝Δt。

进一步地，步骤S2中，所述直方图控制器对每层配置合适的直方图参数，所述直方图构造单元基于配置参数构造直方图，采用逐层局部构造细直方图，以达到不断提升定位精度的目的，且每层细直方图的构造都基于上层相对粗的直方图的查找峰值进行局部时间通道的光子统计构造。

进一步地，步骤S2中，所述直方图构造单元进行逐层细化构造直方图进行基于峰值的局部时间通道构造，当前细直方图的局部时间信道，覆盖上层粗直方图的n个粗时间单元通道，n大于等于3。

进一步地，步骤S3中，所述直方图构造单元进行逐层细化构造直方图进行基于峰值的局部时间通道的光子计数初始化，对直方图的局部时间通道进行构造时，各通道的初始光子计数，支持0初始化和非0初始化，非0初始化有效降低相对物理存储而言的大范围定位，引起的多层查找，所需的TDC输出的时延数据个数，提高距离测量的帧率。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有可执行程序，所述可执行程序由处理器执行时，实现所述的d-ToF测距优化存储方法。

本发明的有益效果如下：

本发明的存储优化方案实现在已固化系统物理内存的情况下，动态的结合测距的范围要求和定位精度要求，在不增加物理内存的基础上，通过逐层细化的直方图构造和存储，实现大范围和高精度的d-ToF的测距定位。同时，为了保证的逐层细化直方图的定位性能，对分层的局部查找进行了明确的范围说明，再者为了提升测距定位的帧率，提出了细化层的时间信道光子计数初始化基于上层信息的非0初始化，在降低本层的TDC输出数据量的同时，保证定位精度。

附图说明

图1为本发明实施例存储方案的实现流程图；

图2为本发明实施例d-ToF的接收端系统框；

图3为本发明实施例中Peak1位于当前层的0,1位置时，细化层的局部构造时间单元范围；

图4为本发明实施例中Peak2位于当前层的2～BN_m-3位置时，细化层的局部构造时间单元范围；

图5为本发明实施例中Peak1位于当前层的BN_m-2，BN_m-1位置时，细化层的局部构造时间单元范围；

图6为本发明实施例中基础时间单元的直方图；

图7为本发明实施例中粗时间单元BW＝16的直方图。

附图标记：

21 直方图处理单元

211 直方图控制器

212 直方图构造单元

213 直方图峰值查找单元

22 TDC时间数字转换器

23 SPAD单光子雪崩二极管

24 光学接收器

25 目标对象

具体实施方式

为了使本发明实施例所需要解决的技术问题、技术方案及方案优势更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，而不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种支持动态大范围和高精度定位的d-ToF测距优化存储方法。本发明在d-ToF系统的直方图物理存储已固化情况下，可通过多次动态构建粗-细的直方图，实现大范围和高精度的定位性能。本发明实施例的实现包括三部分：直方图控制器、直方图构造单元、直方图峰值查找单元；具体测距包含如下步骤：S1、直方图的控制器，结合系统固化的物理存储和TDC输出的基本时间单元Δt，针对动态的查找范围和定位精度，确定构造粗-细逐层细化的直方图的层数L及每层的时间单元宽度ΔT_i和时间通道个数BN_i的配置，初始化层索引n＝0，峰值索引PeakIdx＝0；S2、直方图控制器迭代处理：层索引n++，基于反馈的PeakIdx进行当前层的有效时间单元的起始基础时间单元IdxStart的计算；S3、直方图构造单元基于当前层的配置信息，完成对应通道单元的直方图构造；S4、直方图峰值查找单元主要负责峰值的查找，同时为了进一步的提升逐层细化的直方图的定位帧率，存储峰值位置附近时间单元的光子计数的平均值，作为细化直方图构造时的时间单元的光子计数的初始化，即支持0初始化和非0初始化，非0初始化在降低本层的TDC输出数据量的同时，保证定位精度；S5、当完成所有层构造的直方图的峰值查找后，输出最终的定位索引。

本发明实施例提供一种直方图处理存储单元，包括直方图控制器、直方图构造单元、直方图峰值查找单元。

直方图控制器负责完成一次定位的直方图处理过程中粗-细，逐层细化直方图的配置信息计算：基于系统动态设置的最大测距范围，要求的测距精度，结合TDC输出的基本时间单元Δt，片上存储的最大内存确定以下基本配置信息：直方图构造单元构造粗-细直方图的层数，每层的时间单元宽度ΔT_i，时间通道个数BN_i的配置。

为了保证直方图构造单元进行逐层细化构造直方图进行基于峰值的局部时间通道的直方图性能，当前细直方图的局部时间信道，必须覆盖上层粗直方图的n(n大于等于3)个粗时间单元通道。主要是考虑到虽然基础时间单元的直方图满足泊松分布，但由于粗直方图的端构造处理，存在粗直方图的峰值时间单元不包含基础时间单元直方图的峰值，其峰值位于粗直方图的相邻时间单元中，图7显示峰值位于粗直方图峰值单元的右侧，因此n必须大于等于3。

本发明为了提升逐层细化的直方图构造方式的距测帧率，对直方图的局部时间通道进行构造时，各通道的初始光子计数，支持0初始化和非0初始化，非0初始化可有效降低相对物理存储而言的大范围定位，引起的多层查找，所需的TDC输出的时延数据个数，提高距离测量的帧率；同时基于实际应用的定位精度需求，动态设置最终层细直方图的时间单元精度ΔT_last，最小支持ΔT_last＝Δt。

作为本发明的一个实施例，提供一种实现动态大范围和高精度定位的d-ToF测距优化存储算法。图2为d-ToF的接收端系统框。如图所示目标对象25，反射或漫反射的光脉冲被接收器的光学系统成像到d-ToF的传感器上，光脉冲触发SPAD，输出电流脉冲。TDC单元22根据电脉冲的时间来输出数字化的脉冲时序，即当前接收脉冲时序飞行时间，基于TDC输出的飞行时间进行直方图处理21。直方图的处理主要有三部分组成：直方图控制器211，其作用基于系统的定位范围和精度需求，直方图控制器结合已确定的物理存储单元大小，基于TDC输出的基本时间单元Δt的时间通道个数和片上存储的最大内存确认直方图构造单元需要构造细-粗直方图的层数L，及计算每层的时间单元宽度ΔT_i和时间通道个数BN_i的配置；直方图构造单元基于配置信息，对时间通道进行区域划分，并对TDC的输出进行所属区域的光子计数+1处理，构造直方图；直方图峰值查找单元，在直方图构造单元完成相应population的TDC数据构造后，开启基于直方图的峰值查找，输出峰值的时间单元索引，并基于配置信息转换为基础时间单元Δt的时间通道索引；

下面以物理存储的内存大小RegNum＝2⁶＝64，TDC的最小时间单元Δt＝30ps(为方便后面的叙述，简称为基础时间单元)，其极限定位精度为4.5mm的系统配置进行以下实施例的说明：

实施例一

系统的最大定位范围和精度要求为：系统要求最大测量距离为4m，定位精度为5mm；

分析可知：系统要求最大测量距离为4m，则其所需的基础时间通道个数为

这里我们为了计算方便，将基础时间通道设置成

其为大于N_L的最小的2的幂值，因此

定位精度4.5mm满足系统要求的5mm设定。

基于实施例一的系统配置，本发明的具体实施方式如下：

(S1)直方图控制器，基于内存大小RegNum，及基础时间通道N_SL值，进行粗-细直方图的分层参数设置，具体实现步骤如下：

(S1.1)第一层：第一层粗直方图的构造必须满足全时间通道的查找，并充分利用内存大小RegNum，因此第一层的时间通道个数BN₁＝BinNum[1]＝RegNum＝64；时间单元

相对于基础时间单元，时间单元的宽度BW₁＝BinWidth[1]＝ΔT₁/Δt＝16；

(S1.2)第二层：第二层的直方图构造基于第一层查找的主峰位置进行局部构造，局部范围必须覆盖上层粗直方图的n(n大于等于3)个粗时间单元通道，主要是因为，由图6和图7可知，虽然基础时间单元的直方图满足泊松分布，但由于粗直方图的端构造处理，存在粗直方图的峰值时间单元不包含基础时间单元直方图的峰值，其峰值位于粗直方图的相邻时间单元中，图7显示为位于右侧，因此n必须大于等于3，这里设定n＝4；因此第二层需要实现4*ΔT₁＝64Δt个基础时间通道的构造。第二层充分利用时间通道个数BinNum[2]＝64；时间单元ΔT₂＝64Δt/64＝Δt，BW₂＝BinWidth[2]＝1。可知第二层的时间单元为基础时间单元，其定位精度为4.5mm满足系统的定位精度需求，因此不再进行层分解；

因此构造分为两层：BinWidth＝[16,1]；BinNum＝[64,64],这里设定，直方图1、2的构造所需的TDC输出数据量Pop1，Pop2，并初始化层索引m＝1；PeakIdx1＝0。

(S2)直方图控制器，基于PeakIdx1及第m层直方图的配置信息BN_m进行第m层局部时间通道的有效起始值的计算：IdxStart_Low＝PeakIdx1-BN_m*BW_m/2；IdxStart_Up＝PeakIdx1+BN_m*BW_m/2；

若IdxStart_Low<0,为保证时间通道索引的非负性，令IdxStart＝0；若IdxStart_Up>N_SL-1；则IdxStart_Low＝N_SL-BN_m*BWm；并返回步骤(S3)。

(S3)直方图控制器，将第m层的配置信息ΔT_m,BN_m,Pop_m,IdxStart配置给直方图构造单元，直方图构造单元的构造方案如下：

(S3.1)直方图构造单元，基于BN_m，BW_m进行时间单元的区域划分，并进行所有区域的初始光子计数的初始化：

若m＝1，则所有的时间单元通道的初始计数Cnt[i]＝0；i＝0～BN_m-1；

若m>1且采用逐层细化构造直方图时，各通道的初始光子计数，采用0初始化，则Cnt[i]＝0；i＝0～BN_m-1；

若m>1，采用非0初始化模式，则需要利用上层直方图峰值查找存储的各部分的光子计数的平均值进行初始化：

若采用非0初始化模式，可有效将少细化直方图构造时的Pop个数，降低功耗，提升距离测量的帧率；

(S3.2)对TDC输入的Pop_m个时间数据进行所需时间通道的判定，若TDC_Data[i]为有效基础时间单元范围：IdxStart～IdxStart+BN_m*BW_m，令Idx＝floor((TDC_Data[i]-IdxStart)/BW_m),则对第Idx个时间通道的光子计数Cnt[Idx]++即进行光子计数的+1处理，Idx的有效取值范围为：0～BN_m-1；

(S3.3)当直方图构造单元完成Pop_m个TDC输出数据的直方图构造后，直方图峰值查找单元主要进行以下处理：

(S3.3.1)完成直方图峰值位置Peak1的查找，并PeakIdx1的时间单元索引，折算为全时间通道内的以基本时间单元Δt为基准的时间索引，PeakIdx1＝IdxStart+Peak1*BW_m；

(S3.3.2)本发明中，对非第一层的局部查找的光子计数的初始支持非0初始化，且每层局部查满足以上层峰值为中心，相对粗时间单元的4个完整单元的查找。在实际应用中，基于Peak1在当前层的位置，主要分为三类，见图3，图4，图5：可以看出当Peak1为2～BN_m-3范围时，细化层的局部构造时间单元系数为[0.5,1,1,1,0.5]。为了简化处理，直方图峰值查找单元将用8个寄存器RegCntInit依次存储完整的4个单元的光子计数的平均值，CntAvg_k＝Cnt_k/BW_m，其中Cnt_k为第k个时间单元的光子计数；

如图3中的位置分布，

RegCntInit[8]＝{CntAvg₀,CntAvg₀,CntAvg₁,CntAvg₁,CntAvg₂,CntAvg₂,CntAvg₃,CntAvg₃}图3示出Peak1位于当前层的0,1位置时，细化层的局部构造时间单元范围。

如图4中的位置分布：

RegCntInit[8]＝

{CntAvg_p1-2,CntAvg_p1-1,CntAvg_p1-1,CntAvg_p1,CntAvg_p1,CntAvg_p1+1,CntAvg_p1+1,CntAvg_p1+2}图4示出Peak1位于当前层的2～BN_m-3位置时，细化层的局部构造时间单元范围。

如图5中的位置分布：

RegCntInit[8]＝

{CntAvg_BN-4,CntAvg_BN-4,CntAvg_BN-3,CntAvg_BN-3,CntAvg_BN-2,CntAvg_BN-2,CntAvg_BN-1,CntAvg_BN-1}图5示出Peak1位于当前层的BN_m-2，BN_m-1位置时，细化层的局部构造时间单元范围。

(S4)直方图控制器，令m＝m+1；若m<＝L,则进行步骤(S2)，否则进入步骤(S5)。

(S5)输出PeakIdx1，作为整个直方图处理的最终峰值时间单元索引，并结束直方图处理。

实施例二：

系统的最大定位范围和精度要求为：系统要求最大测量距离为18m，定位精度为5mm；

分析可知：系统要求最大测量距离为18m，则其所需的基础时间通道个数为

这里我们为了计算方便，将基础时间通道设置成

其为大于N_L的最小的2的幂值，因此

定位精度4.5mm满足系统要求的5mm设定。

基于实施例二的系统配置，本发明的具体实施方式如下：

(S1)直方图控制器，基于内存大小RegNum，及基础时间通道N_SL值，进行粗-细直方图的分层参数设置，具体实现步骤如下：

(S1.1)第一层：第一层粗直方图的构造必须满足全时间通道的查找，并充分利用内存大小RegNum，因此第一层的时间通道个数BinNum[1]＝64；时间单元

BinWidth[1]＝64。第一层的定位精度为288mm，不满足精度要求，因此需要进行再次细化；

(S1.2)第二层：第二层的直方图构造基于第一层查找的主峰位置进行局部构造，局部范围必须覆盖上层粗直方图的n(n大于等于3)个粗时间单元通道，这里设定n＝4；因此第二层需要实现4*ΔT₁＝256Δt个基础时间通道的构造。第二层充分利用时间通道个数BinNum[2]＝64；时间单元

BinWidth[2]＝4。可知第二层定位精度为18mm，不满足系统的定位精度需求，因此需再进行层分解，若在某些应用中，系统要求的定位精度为20mm，则不需要进行第三层的分解；

(S1.3)第三层：第三层需要实现4*ΔT₂＝16Δt个基础时间通道的构造。目前的RegNum完全满足要求，因此可采用时间通道个数BinNum[3]＝16；时间单元ΔT₃＝16Δt/16＝Δt，BinWidth[3]＝1，或者充分利用内存实现64Δt个基础时间通道的构造，因此可采用时间通道个数BinNum[2]＝64；时间单元ΔT₃＝64Δt/64＝Δt，BinWidth[3]＝1；第三层的定位精度为4.5mm，已达到系统的极限定位精度，且满足系统要求，将不再进行层分解。

因此对于精度要求为5mm需要将构造分为三层：BinWidth＝[64,64,16]；BinNum＝[64,4,1]或BinWidth＝[64,64,64]；BinNum＝[64,4,1]；若系统精度要求20nn，则只需要将构造分两层：BinWidth＝[64,64]；BinNum＝[64,4]。

后续的直方图的粗-细逐层构造方案可参考实施例一。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

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。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，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (7)

1.一种实现动态大范围和高精度定位的d-ToF测距优化存储方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、直方图控制器基于系统动态设置的最大测距范围、测距精度，确定构造粗-细逐层细化的直方图的基本参数，并完成系统的初始化：层索引n＝0；峰值索引PeakIdx＝0；

S2、直方图控制器基于PeakIdx计算当前层的有效起始基础时间单元IdxStart；

S3、直方图构造单元进行当前层的配置信息，完成对应信道直方图单元的直方图构造；

S4、直方图查找单元基于构造的直方图完成峰值查找；

S5、当完成所有层构造的直方图的峰值查找后，输出最终的定位索引，否则返回步骤S2；

2.如权利要求1所述的d-ToF测距优化存储方法，其特征在于：步骤S1中，所述直方图控制器基于系统动态设置的最大测距范围，要求的测距精度，结合TDC输出的基本时间单元Δt，片上存储的最大内存确定以下基本配置信息：所述直方图构造单元构造粗-细直方图的层数，每层的时间单元宽度ΔT_i，时间通道个数BN_i的配置。

3.如权利要求2所述的d-ToF测距优化存储方法，其特征在于：步骤S1中，所述直方图控制器对每层配置直方图时间单元，基于实际应用的定位精度需求，动态设置最终层细直方图的时间单元精度ΔT_last，最小支持ΔT_last＝Δt。

4.如权利要求2所述的d-ToF测距优化存储方法，其特征在于：步骤S2中，所述直方图控制器对每层配置合适的直方图参数，所述直方图构造单元基于配置参数构造直方图，采用逐层局部构造细的直方图，以达到不断提升定位精度的目的，且每层细直方图的构造都基于上层相对粗的直方图的查找峰值进行局部时间通道的光子统计构造。

5.如权利要求4所述的d-ToF测距优化存储方法，其特征在于：步骤S2中，所述直方图构造单元进行逐层细化构造直方图进行基于峰值的局部时间通道构造，当前细直方图的局部时间信道，覆盖上层粗直方图的n个粗时间单元通道，n大于等于3。

6.如权利要求4所述的d-ToF测距优化存储方法，其特征在于：步骤S3中，所述直方图构造单元进行逐层细化构造直方图进行基于峰值的局部时间通道的光子计数初始化，对直方图的局部时间通道进行构造时，各通道的初始光子计数，支持0初始化和非0初始化，非0初始化有效降低相对物理存储而言的大范围定位，引起的多层查找，所需的TDC输出的时延数据个数，提高距离测量的帧率。

7.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有可执行程序，其特征在于，所述可执行程序由处理器执行时，实现如权利要求1至6任一项所述的d-ToF测距优化存储方法。

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