CN112887577A - 一种抗环境光的rgb-d三维相机 - Google Patents

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杨涛
马力
王丛华
周少玮
雷洁
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Abstract

本发明公开了一种抗环境光的RGB‑D三维相机，包括结构光投射器、电动马达、若干个相机成像单元和计算电路；所述相机成像单元由RGB‑IR成像芯片、红外窄带滤光片A4、可见光滤光带通片B5组成。获得的深度图和RGB纹理图是同一个相机拍摄的，所以其像素坐标一一对齐。工作时，三维相机连续进行一次状态1和状态2的拍摄，就获得一张RGB‑D图片，并通过标定参数计算得到带RGB颜色的点云。

Description

一种抗环境光的RGB-D三维相机
技术领域
本发明属于三维视觉领域，特别涉及一种抗光三维视觉传感器设计。
背景技术
三维相机广泛应用在机器人视觉，工业检车，导航等各个领域，大部分三维相机都是基于光学原理，所以抗光性一直是三维相机的一个关键技术指标。尤其是对于工业高精度三维视觉，以高精度结构光为例，其光源大多选用LED，很难做好很好的抗光性。线激光抗光性好，但是应用场景较小，对于抓取等场景，只有RGB-D三维相机才能更好的解决问题。同时，对于很多场景，都需要同时获得RGB纹理图做识别，分割等的预处理，再根据对应的深度图做抓取，检测等操作。但是RGB相机需要环境光照明充分，才能获得较高质量的图片，而结构光恰恰相反，环境光较强时，会导致投射的结构光图案的信噪比降低，从而降低精度。根据公开资料，目前没有一种能够在强光环境中获得高精度三维数据和高质量RGB图的三维相机。
对于机器人抓取，工业检测等领域，需要抗环境光的高精度RGB-D三维相机解决实际场景中的识别，检测，抓取等问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种抗光性好的三维相机的装置及方法，其组成包括结构光投射器1，RGB-IR成像芯片2，镜头6，电动马达3，红外窄带滤光片A 4，可见光滤光带通片B5，以及控制和计算电路8。RGB-IR成像芯片，镜头和滤光片组成相机成像单元7，该装置一般有一个或两个相同的相机成像单元7。
结构光投射器由MEMS微振镜，透镜，单模激光器等组成，其中激光器为单模激光器，以满足结构光图案的窄波段要求。此结构光投射器可以投影面阵和线阵结构光，比如相位结构光图案，面阵结构光图案，激光光刀等，使得深度图可以达到较高精度。
本发明提出的一种抗光性好的三维相机的装置及方法有两种工作状态：
状态1：拍摄深度图
拍摄深度图的工作状态时，结构光投射器投射结构光图案到物体表面，电动马达切换滤光片A到镜头和成像芯片的中间，被物体表面反射的结构光经过镜头，滤光片到成像芯片，形成图像。根据系统的标定参数，通过电路和芯片计算拍摄到的结构光图像，可以获得深度图。
状态2：拍摄RGB图
拍摄RGB图片时，关闭结构光投射器，电动马达切换滤光片B到镜头和成像芯片的中间，相机进行曝光，拍摄到的图片为RGB图片。
本发明提出的一种抗光性好的三维相机的装置及方法，获得的深度图和RGB纹理图是同一个相机拍摄的，所以其像素坐标一一对齐。工作时，三维相机连续进行一次状态1和状态2的拍摄，就获得一张RGB-D图片，并通过标定参数计算得到带RGB颜色的点云。
有益效果
本方案的有益效果如下：
本发明提出的一种抗光性好的三维相机的装置及方法，结构光投射器采用单模红外激光，可以有效规避室内环境光；本发明采用红外波段投射结构光，由于所述RGB-IR芯片在每个像元IR波段感光性一致，不会牺牲系统的分辨率。
本发明提出的一种抗光性好的三维相机的装置及方法，可以有比较强的LED光源工作，不损失深度图精度；同时在强光环境下工作，有助于提高纹理图(RGB图)的质量。本发明RGB图和深度图由同一个相机成像模组拍摄，严格对齐；不需要进行深度图和RGB图的标定，且没有标定引入的对齐误差。
本发明是一种简单可实施的RGB-D三维相机的解决方案，可以解决机器人抓取，工业检测等各行业的三维视觉解决方案中。
附图说明
图1系统组成
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施方案适用于本发明，但不是本发明的全部范围。
本发明提出的一种抗光性好的三维相机的装置及方法，其组成包括结构光投射器1，RGB-IR成像芯片2，镜头6，电动马达3，红外窄带滤光片A 4，可见光滤光带通片B 5，以及控制和计算电路8。RGB-IR成像芯片，镜头和滤光片组成相机成像单元7，该装置一般有一个或两个相同的相机成像单元7。
结构光投射器由MEMS微振镜，透镜，单模激光器等组成，其中激光器为单模激光器，以满足结构光图案的窄波段要求。此结构光投射器可以投影面阵和线阵结构光，比如相位结构光图案，面阵结构光图案，激光光刀等，使得深度图可以达到较高精度。并且投影速度高，可以达到大于等于每秒100帧的速度。
滤光片A为红外窄带滤光片，其中心波长和激光器保持一致，带宽大于等于激光器的带宽；红外窄带滤光片A，带宽匹配镜头的CRA角，保证在CRA角范围内的光线透过率均达到80％及以上，为了满足抗光行要求，滤光片A的带宽应小于30nm。滤光片B为可见光通过滤光片，其波段为400nm～650nm。RGB-IR芯片为CMOS或CCD芯片，其在IR波段下，每个像素的感光性一致。电动马达为微型马达，能够达到较快的切换速度，且系统体积小，建议选用的电动马达切换时间小于0.2秒。
系统在工作之前需要进行严格的标定，获得标定参数，包含一个相机成像单元和两个相机成像单元的系统，标定方法不同，具体请参考单目结构光系统的标定方法，和双目系统的标定方法。
本发明提出的一种抗光性好的三维相机的装置及方法有两种工作状态：
状态1：拍摄深度图
拍摄深度图的工作状态时，结构光投射器投射结构光图案到物体表面，电动马达切换滤光片A到镜头和成像芯片的中间，被物体表面反射的结构光经过镜头，滤光片达到成像芯片，相乘图像。根据系统的标定参数，通过电路和芯片计算拍摄到的结构光图像，可以获得深度图。
状态2：拍摄RGB图
拍摄RGB图片时，关闭结构光投射器，电动马达切换滤光片B到镜头和成像芯片的中间，相机进行曝光，拍摄到的图片为RGB图片。
本发明提出的一种抗光性好的三维相机的装置及方法，获得的深度图和RGB纹理图是同一个相机拍摄的，所以其像素坐标一一对齐。工作时，三维相机连续进行一次状态1和状态2的拍摄，就获得一张RGB-D图片，并通过标定参数计算得到带RGB颜色的点云。

Claims (8)

1.一种抗环境光的RGB-D三维相机，其特征在于，包括结构光投射器、电动马达、若干个相机成像单元和计算电路；所述相机成像单元由RGB-IR成像芯片、红外窄带滤光片A4、可见光滤光带通片B5组成。
2.如权利要求1所述抗环境光的RGB-D三维相机，其特征在于：
RGB-D三维相机拍摄深度图时的工作状态是，结构光投射器投射结构光图案到物体表面，电动马达切换滤光片A到镜头和成像芯片的中间，被物体表面反射的结构光经过镜头，滤光片到成像芯片，形成图像；根据系统的标定参数，通过电路和芯片计算拍摄到的结构光图像，可以获得深度图。
3.如权利要求1所述抗环境光的RGB-D三维相机，其特征在于：
RGB-D三维相机拍摄拍摄RGB图时的工作状态是，拍摄RGB图片时，关闭结构光投射器，电动马达切换滤光片B到镜头和成像芯片的中间，相机进行曝光，拍摄到的图片为RGB图片；
工作时，三维相机连续进行一次状态1和状态2的拍摄，就获得一张RGB-D图片，并通过标定参数计算得到带RGB颜色的点云。
4.权利要求1所述的一种抗环境光的RGB-D三维相机，其特征在于，结构光投射器的光源为为红外激光器，优选800nm-960nm中的单模激光器。
5.权利要求1所述的一种抗环境光的RGB-D三维相机，其特征在于，红外窄带滤光片，中心波长和结构光投射器光源波段一致，且带宽匹配镜头的CRA角，保证在CRA角范围内的光线透过率均达到80％及以上。
6.权利要求1所述的一种抗环境光的RGB-D三维相机，其特征在于，可见光带通滤光片，通过波段为400nm-650nm。
7.权利要求1所述的一种抗环境光的RGB-D三维相机，其特征在于，马达的切换时间小于0.2秒。
8.权利要求1所述的一种抗环境光的RGB-D三维相机，其特征在于，RGB-IR芯片为CMOS或CCD芯片，其在IR波段下，每个像素的感光性一致。
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