CN112558096B - 一种基于共享内存的测距方法、系统以及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种基于共享内存的测距方法、系统以及存储介质，包括：发射端发射脉冲激光；包括多个像素单元的接收端接收经由目标物体反射回的光信号，并将光信号转化为模拟电信号；通过各个通道中的时间数字转化器TDC将像素单元输出的模拟电信号转化成数字信号并输出；对各个通道中的TDC输出的数字信号进行跳值重复编码，得到跳值重复编码序列；将至少两通道的跳值重复编码序列耦合得到第一耦合统计直方图并存储，第一耦合统计直方图关联于脉冲激光的飞行时间和数字信号强度；对第一耦合统计直方图中的跳值重复编码序列进行解耦，得到各个通道的统计直方图；根据各统计直方图获取各个通道的脉冲激光的飞行时间；根据飞行时间得到目标物体的距离。

Description

一种基于共享内存的测距方法、系统以及存储介质
技术领域
本申请涉及3D光学成像领域中的测距方法，尤其涉及基于共享内存的测距方法、系统以及存储介质。
背景技术
直接飞行时间(dToF，direct Time of Flight)是近年来主流的3D成像方式之一，其中所用的主要部件包括单光子雪崩二极管(SPAD，Single Photon Avalanche Diode)阵列。SPAD是一种具有高增益、高灵敏度等优点的探测器。单个SPAD连接一个简单的反向器即可直接产生数字信号，如“无信号”时输出“0”，“有信号”时输出“1”。在深度探测领域，SPAD采用硅光电倍增管(SiPM,Silicon photomultiplier)和SPAD阵列(SPAD array)这两种典型的形式实现测距。SiPM中的SPAD输出端子(port)可并联在一起，作为一个整体输出信号，但由于有多个SPAD子单元，所以可以实现对信号光强度的识别。SPAD阵列中的每个像素单独输出信号，从而可以直接生成图像。
SPAD输出的信号强度一般会用统计直方图(Histogram)表示，而系统记录统计直方图需要大量内存。然而，一般情况下，有效记录的内存远小于总内存，这就造成了极大的内存浪费，并且加大了数据处理、传输载荷，增加了系统功耗。
发明内容
本申请实施例公开了一种基于共享内存的测距方法，能够通过对多个时间数字转化器(TDC，Time-to-Digital Converter)输出的接收信号强度进行跳值重复编码，从而使得对dToF方式中的统计直方图方法实现共享内存。
第一方面，本申请实施例提供了一种基于共享内存的测距方法，所述方法包括：
发射端发射脉冲激光；
接收端接收经由目标物体反射回的光信号，并将所接收的光信号转化为模拟电信号，其中，所述接收端包括多个像素单元；
通过各个通道中的时间数字转化器将所述像素单元输出的模拟电信号转化成数字信号并输出；
对各个通道中的所述时间数字转化器输出的数字信号进行跳值重复编码，得到跳值重复编码序列；
将至少两通道的跳值重复编码序列耦合得到第一耦合统计直方图并存储，其中，所述第一耦合统计直方图关联于所述脉冲激光的飞行时间和所述数字信号强度；
对所述第一耦合统计直方图中的跳值重复编码序列进行解耦，得到各个通道的统计直方图；
根据所述各个通道的统计直方图获取所述各个通道的脉冲激光的飞行时间；
根据所述脉冲激光的飞行时间得到所述目标物体的距离。
根据第一方面的测距方法，其中，对各个通道中的所述时间数字转化器输出的数字信号进行跳值重复编码，得到跳值重复编码序列包括：
以统计直方图值的向量来表示所述统计直方图；
对所述向量进行多次平移并叠加，得到编码向量。
根据第一方面的测距方法，其中，将至少两通道的跳值重复编码序列耦合得到第一耦合统计直方图并存储包括：
将至少两个通道中得到的所述编码向量相加，得到第一耦合统计直方图向量并存储。
根据第一方面的测距方法，其中，对所述第一耦合统计直方图中的跳值重复编码序列进行解耦，得到各个通道的统计直方图包括：
对所述第一耦合统计直方图进行匹配滤波，得到第二耦合统计直方图；
对所述第二耦合统计直方图进行解耦，得到所述各个通道的统计直方图。
根据第一方面的测距方法，其中，对所述第一耦合统计直方图进行匹配滤波，得到第二耦合统计直方图包括：
根据所述发射脉冲激光的编码、脉宽或者发射功率来确定匹配滤波参数。
根据第一方面的测距方法，其中，对所述第二耦合统计直方图进行解耦，得到所述各个通道的统计直方图包括：
比较所述第二耦合统计直方图中各个峰的半高宽度和所述发射脉冲激光的发射脉宽，当所述半高宽度小于或者等于所述发射脉宽并且所述第二耦合统计直方图在每个通道上的所述跳值重复编码序列超过两个时，对所述第二耦合统计直方图进行解耦，得到所述各个通道的统计直方图。
根据第一方面的测距方法，其中，每个所述向量每次平移的步长是固定的。
根据第一方面的测距方法，其中，所述像素单元包括单光子雪崩二极管。
第二方面，本申请实施例提供了一种3D成像系统，包括激光发射器、发射光学系统、接收光学系统、dToF传感器、时间数字转化器以及存储器，其中，所述系统使用根据上述第一方面所述的基于共享内存的测距方法。
根据第二方面的3D成像系统，其中，根据所述3D成像系统的测距范围和允许的信噪比(SNR)参数来确定每个dToF传感器所需的内存的深度和位宽。
第三方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有代码，当所述代码被执行时，使得计算机执行根据上述第一方面所述的基于共享内存的测距方法。
通过实施本申请实施例，能够对多个TDC输出的接收信号强度进行跳值重复编码，从而使得对dToF方式中的统计直方图方法实现共享内存，能够获得以下有益的技术效果：
1.节省内存；
2.减少数据处理和传输载荷；
3.降低系统功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或背景技术中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是3D成像领域中的dToF方式的测距方法原理图；
图2是统计直方图的示意图；
图3是有效内存区域的示意图；
图4是本申请一实施例提供的测距方法的流程图；
图5是本申请一实施例提供的跳值重复编码的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请实施例中的技术方案进行描述。
图1是3D成像领域中的直接飞行时间(dToF)方式的测距方法原理图。如图1所示，dToF模组的激光发射器向场景中发射脉冲波，SPAD接收从目标物体反射回来的脉冲波。传感器的输出信号主要是通过时间数字转换器(TDC)进行测定，TDC是实现时间到数字信号转换的器件，一种可以精确测量开始脉冲信号和停止脉冲信号之间时间间隔的电路结构。
时间数字转换器能够记录每次接收到的光信号的飞行时间，也就是发射脉冲和接收脉冲之间的时间间隔。dToF会在单帧测量时间内发射和接收N次光信号，然后对记录的N次飞行时间做直方图统计，其中信号强度最高或者说SPAD被触发次数最多处对应的飞行时间t用来计算待测物体的深度。
图2是统计直方图的示意图。SPAD输出的信号强度一般会用统计直方图表示，如图2所示，横坐标为时间箱(time bin)，纵坐标为信号强度。柱状图中的每个方形图表示的是一个时间箱对应的信号强度。
在单帧测量时间内发射和接收N次光信号，然后对记录的N次飞行时间做统计直方图。然后利用发射光信号的脉宽等先验知识对统计直方图进行去噪之后(去噪方法如匹配滤波等)，其统计直方图信号强度最大值对应的时间t即飞行时间可以用来计算待测物体的距离s，即s＝c×t/2(c为光速)。
一种典型的完整统计直方图(full histogram)的实现方式如下：
(1)根据dToF系统的测距范围和允许的信噪比(SNR)等参数来确定每个SPAD的内存(memory)深度和位宽。
(2)在单帧测量时间内，利用每个SPAD已分配的内存来记录该SPAD在各个时间箱被触发次数。其中一个内存地址对应一个时间箱。
图3是有效内存区域的示意图。由图3可知，在单帧测量当中，对于一个SPAD分配的内存来说，真正有效的记录是目标距离对应的内存地址附近的内存，其它地址的存储数据都是无效的。一般情况下，有效记录的内存远小于总内存，这就造成了极大的内存浪费，加大数据处理、传输载荷，增加系统功耗。
鉴于传统的使用完整统计直方图的测距方法的上述缺陷，本方案提出了一种使用基于共享内存的测距方法，该方法同样为采用dToF方式的统计直方图方法，使用本发明的基于共享内存的测距方法，能够达到节省内存、减少系统的数据处理量和传输载荷，降低系统功耗的目的。
本申请技术方案的关键在于，基于跳值重复编码来实现基于共享内存的统计直方图的测距方法，以及根据系统参数来确定每个TDC的平移步长。
在本申请的用于3D成像系统的dToF方式中，多个TDC的输出数据可以共享一个内存。
基于共享内存的统计直方图方法的dToF方式
图4是本申请一实施例提供的dToF方式的流程图。如图4所示：
S10，发射端发射脉冲激光。
S20，接收端接收经由目标物体反射回的光信号，并将所接收的光信号转化为模拟电信号，其中，所述接收端包括多个像素单元。
这里的像素单元可以包括单光子雪崩二极管。
S30，通过各个通道中的时间数字转化器将所述像素单元输出的模拟电信号转化成数字信号并输出。
其中，多个TDC分别输出的数字信号强度用来生成每个TDC通道上的统计直方图，所述统计直方图以包含统计直方图值的向量来表示。
S40，对各个通道中的所述时间数字转化器输出的数字信号进行跳值重复编码，得到跳值重复编码序列。
另外，在以统计直方图值的向量来表示所述统计直方图的情况下，可以对向量进行多次平移并叠加，以得到编码向量，其中每个向量每次平移的步长可以是固定的。进一步，可以将至少两个通道中的编码向量相加，得到第一耦合统计直方图向量并存储。
S50，将至少两通道的跳值重复编码序列耦合得到第一耦合统计直方图并存储，其中，所述第一耦合统计直方图关联于所述脉冲激光的飞行时间和所述数字信号强度。
S60，对所述第一耦合统计直方图中的跳值重复编码序列进行解耦，得到各个通道的统计直方图。
在对第一耦合统计直方图中的跳值重复编码序列进行解耦时，可以先对第一耦合统计直方图进行匹配滤波，得到第二耦合统计直方图；然后对第二耦合统计直方图进行解耦，得到各个通道的统计直方图。可以根据所述发射脉冲激光的编码、脉宽或者发射功率来确定匹配滤波参数，以对第一耦合统计直方图进行匹配滤波。
另外，为了对第二耦合统计直方图进行解耦以得到所述各个通道的统计直方图，可以比较第二耦合统计直方图中各个峰的半高宽度和所述发射脉冲激光的发射脉宽，当半高宽度小于或者等于发射脉宽并且第二耦合统计直方图在每个通道上的跳值重复编码序列超过两个时，对第二耦合统计直方图进行解耦，得到各个通道的统计直方图。
虽然在本实施例中先对第一耦合统计直方图进行匹配滤波，得到第二耦合统计直方图；然后对第二耦合统计直方图进行解耦，得到各个通道的统计直方图。但是应该理解，匹配滤波和解耦的进行并无先后顺序的限定，也可以先进行解耦再进行匹配滤波。即，先对第一耦合统计直方图进行解耦，得到各个通道的统计直方图；再对各个通道的统计直方图分别进行匹配滤波。
S70，根据所述各个通道的统计直方图获取所述各个通道的脉冲激光的飞行时间。
S80，根据所述脉冲激光的飞行时间得到所述目标物体的距离。
依据本申请的一个实施例，两个TDC即TDC1、TDC2的输出数据共享一个内存以实现统计直方图方法。以下具体说明。
首先，有以下两点规定：
(1)TDC的有效位数为N。
若一个统计直方图中有1023个时间箱，则TDC的有效位数为10，即210-1＝1023(TDC输出的是二进制数字信号)。
(2)针对TDC1、TDC2的统计直方图分别用向量valueTDC1(bin_index)、valueTDC2(bin_index)表示，其中bin_index∈[0,2N-1)。
图5是本申请一实施例提供的跳值重复编码的示意图。如图5所示，分别对向量valueTDC1(bin_index)、valueTDC2(bin_index)做跳值重复编码，重复码为2。
根据本申请另一实施例提供的dToF方式，以图5的跳值重复编码情况为例，其具体实现方式如下：
分别对向量valueTDC1(bin_index)、valueTDC2(bin_index)进行两次平移，每个向量的每次平移的步长是固定的；如此将得到valueTDC1(bin_index)、valueTDC1(bin_index+LTDC1)、valueTDC1(bin_index+LTDC1+STDC1)、valueTDC2(bin_index)、valueTDC2(bin_index+LTDC2)、valueTDC2(bin_index+LTDC2+STDC2)。
然后将各个向量加起来得到：
Value_sum＝valueTDC1(bin_index)+valueTDC1(bin_index+LTDC1)+valueTDC1(bin_index+LTDC1+STDC1)+valueTDC2(bin_index)+valueTDC2(bin_index+LTDC2)+valueTDC2(bin_index+LTDC2+STDC2)。
为了避免平移导致数据丢失，用Length(Value_sum)表示内存的深度：
Length(Value_sum)＝2N+max{LTDC1+STDC1、LTDC2+STDC2}。
由上述可知，一个可预料的问题是，如果LTDC1、STDC1、LTDC2、STDC2等参数选择的不合理，会使两个TDC的统计直方图的有效峰重叠在一起，从而导致两个TDC的统计直方图没法解耦。因此为了避免无法解耦的情况，需要根据激光的脉宽、接收镜头的畸变、温漂等参数设定好LTDC1、STDC1、LTDC2、STDC2的值。
统计直方图的解耦
可以利用发射信号的编码、脉宽、发射功率等先验知识，对Value_sum进行匹配滤波得到value_sum_filter，找出value_sum_filter的各个峰及其每个峰半高宽，如果半高宽大于发射脉宽，则可以判定是多通道的有效统计直方图交叠一起的，可以排除掉。因此，只要value_sum_filter上每个通道的独立峰超过两个，就可以把各个通道的统计直方图解耦出来。
本实施例中，重复码为2，即分别对每个向量做了两次平移，但是显然也可以根据需要对向量做了其他次数的多次平移。
依据本申请的又一个实施例，三个TDC即TDC1、TDC2和TDC3的输出数据共享一个内存以实现统计直方图方法。以下具体说明。
首先，同样有以下两点规定：
(1)TDC的有效位数为N。
若一个统计直方图中有1023个时间箱，则TDC的有效位数为10，即210-1＝1023(TDC输出的是二进制数字信号)。
(2)针对TDC1、TDC2和TDC3的统计直方图分别用向量valueTDC1(bin_index)、valueTDC2(bin_index)和valueTDC3(bin_index)表示，其中bin_index∈[0,2N-1)。
分别对向量valueTDC1(bin_index)、valueTDC2(bin_index)和valueTDC3(bin_index)做跳值重复编码，重复码为2。即，分别对向量valueTDC1(bin_index)、valueTDC2(bin_index)和valueTDC3(bin_index)进行两次平移，每个向量的每次平移的步长是固定的；如此将得到valueTDC1(bin_index)、valueTDC1(bin_index+LTDC1)、valueTDC1(bin_index+LTDC1+STDC1)、valueTDC2(bin_index)、valueTDC2(bin_index+LTDC2)、valueTDC2(bin_index+LTDC2+STDC2)、valueTDC3(bin_index)、valueTDC3(bin_index+LTDC3)、valueTDC3(bin_index+LTDC3+STDC3)。
然后将各个向量加起来得到：
Value_sum＝valueTDC1(bin_index)+valueTDC1(bin_index+LTDC1)+valueTDC1(bin_index+LTDC1+STDC1)+valueTDC2(bin_index)+valueTDC2(bin_index+LTDC2)+valueTDC2(bin_index+LTDC2+STDC2)+valueTDC3(bin_index)+valueTDC3(bin_index+LTDC3)+valueTDC3(bin_index+LTDC3+STDC3)。
为了避免平移导致数据丢失，用Length(Value_sum)表示内存的深度：
Length(Value_sum)＝2N+max{LTDC1+STDC1、LTDC2+STDC2、LTDC3+STDC3}。同样，如果LTDC1、STDC1、LTDC2、STDC2、LTDC3、STDC3等参数选择的不合理，会使三个TDC的统计直方图的有效峰重叠在一起，从而导致这三个TDC的统计直方图没法解耦。因此为了避免无法解耦的情况，需要根据激光的脉宽、接收镜头的畸变、温漂等参数设定好LTDC1、STDC1、LTDC2、STDC2、LTDC3、STDC3的值。
然后，对统计直方图进行解耦，利用发射信号的编码、脉宽、发射功率等先验知识，对Value_sum进行匹配滤波得到value_sum_filter，找出value_sum_filter的各个峰及其每个峰半高宽，如果半高宽大于发射脉宽，则可以判定是多通道的有效统计直方图交叠一起的，可以排除掉。因此，只要value_sum_filter上每个通道的独立峰超过两个，就可以把各个通道的统计直方图解耦出来。
依据本申请的又一个实施例，两个TDC即TDC1、TDC2的输出数据共享一个内存以实现统计直方图方法。以下具体说明。
首先，同样有以下两点规定：
(1)TDC的有效位数为N。
若一个统计直方图中有1023个时间箱，则TDC的有效位数为10，即210-1＝1023(TDC输出的是二进制数字信号)。
(2)针对TDC1、TDC2的统计直方图分别用向量valueTDC1(bin_index)、valueTDC2(bin_index)表示，其中bin_index∈[0,2N-1)。
分别对向量valueTDC1(bin_index)、valueTDC2(bin_index)做跳值重复编码，重复码为3。即，分别对向量valueTDC1(bin_index)、valueTDC2(bin_index)进行三次平移，每个向量的每次平移的步长是固定的；如此将得到valueTDC1(bin_index)、valueTDC1(bin_index+LTDC1)、valueTDC1(bin_index+LTDC1+STDC1)、valueTDC1(bin_index+LTDC1+STDC1+MTDC1)、valueTDC2(bin_index)、valueTDC2(bin_index+LTDC2)、valueTDC2(bin_index+LTDC2+STDC2)、valueTDC2(bin_index+LTDC2+STDC2+MTDC2)。
然后将各个向量加起来得到：
Value_sum＝valueTDC1(bin_index)+valueTDC1(bin_index+LTDC1)+valueTDC1(bin_index+LTDC1+STDC1)+valueTDC1(bin_index+LTDC1+STDC1+MTDC1)+valueTDC2(bin_index)+valueTDC2(bin_index+LTDC2)+valueTDC2(bin_index+LTDC2+STDC2)+valueTDC2(bin_index+LTDC2+STDC2+MTDC2)。
为了避免平移导致数据丢失，用Length(Value_sum)表示内存的深度：
Length(Value_sum)＝2N+max{LTDC1+STDC1+MTDC1、LTDC2+STDC2+MTDC2}。同样，如果LTDC1、STDC1、MTDC1、LTDC2、STDC2、MTDC2等参数选择的不合理，会使两个TDC的统计直方图的有效峰重叠在一起，从而导致这两个TDC的统计直方图没法解耦。因此为了避免无法解耦的情况，需要根据激光的脉宽、接收镜头的畸变、温漂等参数设定好LTDC1、STDC1、MTDC1、LTDC2、STDC2、LTDC3、MTDC2的值。
然后，对统计直方图进行解耦，利用发射信号的编码、脉宽、发射功率等先验知识，对Value_sum进行匹配滤波得到value_sum_filter，找出value_sum_filter的各个峰及其每个峰半高宽，如果半高宽大于发射脉宽，则可以判定是多通道的有效统计直方图交叠一起的，可以排除掉。因此，只要value_sum_filter上每个通道的独立峰超过两个，就可以把各个通道的统计直方图解耦出来。
根据本申请的实施例，对于共享内存的TDC数量以及各个统计直方图向量的平移次数可以根据实际需要适当选择。
另外，对于每一个SPAD阵列，阵列中的每一个像素(pixel)可以连接一个TDC，也可以通过绑定(binning)的方式，每几个SPAD共用一个TDC。在这种情况下，多个TDC的输出信号仍然可以采用上述实施例的基于共享内存的测距方法。
根据本申请的实施例，还提供了一种3D成像系统，包括激光发射器、发射光学系统、接收光学系统、dToF传感器、时间数字转化器以及存储器，其中，该系统使用上述的实施例中实现的基于共享内存的测距方法。
另外，该3D成像系统还根据测距范围和允许的信噪比(SNR)参数来确定每个dToF传感器所需的内存的深度和位宽。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，该的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可存储程序代码的介质。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请不限于上述所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于共享内存的测距方法，其特征在于，所述方法包括：
发射端发射脉冲激光；
接收端接收经由目标物体反射回的光信号，并将所接收的光信号转化为模拟电信号，其中，所述接收端包括多个像素单元；
通过各个通道中的时间数字转化器将所述像素单元输出的模拟电信号转化成数字信号并输出；
对各个通道中的所述时间数字转化器输出的数字信号进行跳值重复编码，得到跳值重复编码序列；
将至少两通道的跳值重复编码序列耦合得到第一耦合统计直方图并存储，其中，所述第一耦合统计直方图关联于所述脉冲激光的飞行时间和所述数字信号强度；
对所述第一耦合统计直方图中的跳值重复编码序列进行解耦，得到各个通道的统计直方图；
根据所述各个通道的统计直方图获取所述各个通道的脉冲激光的飞行时间；
根据所述脉冲激光的飞行时间得到所述目标物体的距离；
其中，对各个通道中的所述时间数字转化器输出的数字信号进行跳值重复编码，得到跳值重复编码序列包括：以统计直方图值的向量来表示所述统计直方图；对所述向量进行多次平移并叠加，得到编码向量；
其中，将至少两通道的跳值重复编码序列耦合得到第一耦合统计直方图并存储包括：
将至少两个通道中得到的所述编码向量相加，得到第一耦合统计直方图向量并存储；
其中，对所述第一耦合统计直方图中的跳值重复编码序列进行解耦，得到各个通道的统计直方图包括：对所述第一耦合统计直方图进行匹配滤波，得到第二耦合统计直方图；对所述第二耦合统计直方图进行解耦，得到所述各个通道的统计直方图；
其中，对所述第一耦合统计直方图进行匹配滤波，得到第二耦合统计直方图包括：
根据所述发射脉冲激光的编码、脉宽或者发射功率来确定匹配滤波参数；
其中，对所述第二耦合统计直方图进行解耦，得到所述各个通道的统计直方图包括：
比较所述第二耦合统计直方图中各个峰的半高宽度和所述发射脉冲激光的发射脉宽，当所述半高宽度小于或者等于所述发射脉宽并且所述第二耦合统计直方图在每个通道上的所述跳值重复编码序列超过两个时，对所述第二耦合统计直方图进行解耦，得到所述各个通道的统计直方图。
2.根据权利要求1所述的测距方法，其特征在于，每个所述向量每次平移的步长是固定的。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的测距方法，其特征在于，所述像素单元包括单光子雪崩二极管。
4.一种3D成像系统，包括激光发射器、发射光学系统、接收光学系统、dToF传感器、时间数字转化器以及存储器，其特征在于，所述系统使用根据权利要求1-3中的任一项所述的基于共享内存的测距方法。
5.根据权利要求4所述的3D成像系统，其特征在于，根据所述3D成像系统的测距范围和允许的信噪比(SNR)参数来确定每个dToF传感器所需内存的深度和位宽。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有代码，当所述代码被执行时，使得计算机执行根据权利要求1-3中的任一项所述的基于共享内存的测距方法。
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