CN113227828B - 利用脉冲相移的三维距离测量照相机的非线性距离误差校正方法 - Google Patents

利用脉冲相移的三维距离测量照相机的非线性距离误差校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及利用脉冲相移的三维距离测量照相机的非线性距离误差校正方法。本发明包括：控制部调节由发光部输出的输出光脉冲的相位的步骤；发光部将调节了相位的输出光脉冲输出到被摄体的步骤；受光部接收从被摄体反射的反射光脉冲的步骤；及控制部与推定实际距离对应地映射输出光脉冲经调节的相位，利用输出光脉冲的输出时间点与反射光脉冲的接收时间点的时差来计算测量距离，计算并存储用于校正推定实际距离与测量距离的差异所需的距离误差校正值的步骤。根据本发明，能够克服在校正三维距离测量照相机的非线性距离误差的过程中发生的空间制约性，能够减小为了距离误差校正而要求的设备费用，能够缩短距离误差校正时间。

Description

利用脉冲相移的三维距离测量照相机的非线性距离误差校正 方法
技术领域
本发明涉及利用脉冲相移的三维距离测量照相机的非线性距离误差校正方法。更具体而言，本发明涉及一种在固定的位置，通过脉冲相移方式执行三维距离测量照相机的非线性距离误差校正，从而能够克服在校正三维距离测量照相机的非线性距离误差的过程中发生的空间制约性，减小为了距离误差校正而要求的设备费用，缩短距离误差校正时间的技术。
背景技术
一般而言，已知有诸如TOF(Time Of Flight：飞行时间)照相机等的三维距离测量照相机。
图1是显示以往TOF照相机的距离测量原理的图，图2是显示以往TOF照相机距离测量中的因距离所致相位延迟的图。
如果参照图1及图2，诸如TOF(Time Of Flight：飞行时间)照相机等的三维距离测量照相机向被摄体照射光后，通过利用正弦波相位的数式来运算反射返回的光并换算成距离信息。
在这种运算过程中，由于使用并非完美正弦波的、因硬件特性等导致的不完全方波等理由，所计算的距离与实际距离产生稍许差异，这种差异的程度根据距离而不同，因而三维距离测量照相机存在发生其程度根据距离而不同的非线性误差的问题。
为了校正这种非线性误差，以往技术使用的方式是安装能够在相当于三维距离测量照相机的全体测量距离的空间使照相机从被摄体向前后活动的平台，在使照相机位于已知实际距离的多个测量地点的状态下执行距离测量作业，以测量结果为基础，生成能够校正多个实际距离与测量距离间的误差的查找表(look-up table)并内置于照相机。
在图3中，公开了根据以往技术未校正非线性距离误差时的测量数据，在图4中，公开了根据以往技术校正了非线性距离误差时的测量数据。
但是，根据这种以往技术，三维距离测量照相机的测量距离越增加，越需要用于测量的更广阔空间，存在发生为了安装平台所需的高费用的问题。另外，由于在操作者为了测量误差而使照相机移动到平台上的多个测量地点的过程中耗费的时间，存在照相机的误差校正消耗大量时间的问题。
现有技术文献
韩国公开专利公报第10-2016-0054156号(公布日：2016年05月16日，名称：距离测量装置)
韩国公开专利公报第10-2017-0051752号(公布日：2017年05月12日，名称：TOF照相机控制方法)
发明内容
技术课题
本发明的技术课题是在固定的位置，通过脉冲相移方式执行三维距离测量照相机的非线性距离误差校正，从而能够克服在校正三维距离测量照相机的非线性距离误差的过程中发生的空间制约性，减小为了距离误差校正而要求的设备费用，缩短距离误差校正时间。
技术方案
旨在解决这种技术课题的本发明的利用脉冲相移的三维距离测量照相机的距离非线性校正方法包括：相位调节步骤，控制部调节由发光部输出的输出光脉冲的相位；发光步骤，所述发光部将所述调节了相位的输出光脉冲输出到被摄体；受光步骤，受光部接收从所述被摄体反射的反射光脉冲；及距离误差校正值计算/存储步骤，所述控制部与推定实际距离对应地映射(mapping)所述输出光脉冲经调节的相位，利用所述输出光脉冲的输出时间点与所述反射光脉冲的接收时间点的时差来计算测量距离，计算并存储用于校正所述推定实际距离与所述测量距离的差异所需的距离误差校正值。
本发明的利用脉冲相移的三维距离测量照相机的距离非线性校正方法的特征在于，在所述距离误差校正值计算/存储步骤之后，还包括：测量是否结束判断步骤，所述控制部以所述输出光脉冲的相位是否与预先设置的结束基准相位相同为基准，判断测量是否结束；所述测量是否结束判断步骤的判断结果，当所述输出光脉冲的相位与所述结束基准相位不同时，转换为所述相位调节步骤。
在本发明的利用脉冲相移的三维距离测量照相机的距离非线性校正方法中，其特征在于，在所述相位调节步骤中，所述控制部按照将所述输出光脉冲的周期等间隔(equidistant interval)分割的值，使所述输出光脉冲的相位延迟。
在本发明的利用脉冲相移的三维距离测量照相机的距离非线性校正方法中，其特征在于，在所述距离误差校正值计算/存储步骤中，所述控制部将所述距离误差校正值存储为查找表(look-up table)形式。
在本发明的利用脉冲相移的三维距离测量照相机的距离非线性校正方法中，其特征在于，所述相位调节步骤、所述发光步骤、所述受光步骤、所述距离误差校正值计算/存储步骤及所述测量是否结束判断步骤在所述三维距离测量照相机的位置固定的状态下执行。
在本发明的利用脉冲相移的三维距离测量照相机的距离非线性校正方法中，其特征在于，所述控制部作为FPGA IP(Field Programmable Gate Array IntellectualProperty)内置于所述三维距离测量照相机，或配备于所述三维距离测量照相机的外部，连接于所述三维距离测量照相机。
发明效果
根据本发明，在固定的位置，通过脉冲相移方式执行三维距离测量照相机的非线性距离误差校正，从而具有能够克服在校正三维距离测量照相机的非线性距离误差的过程中发生的空间制约性，能够减小为了距离误差校正而要求的设备费用，能够缩短距离误差校正时间的效果。
另外，本发明的利用脉冲相移方式的非线性距离误差校正方法，在从被摄体反射的光不被传感器面捕获的1～2米左右的空间使照相机固定并使用，因而与以往方法相比，具有无空间制约的效果。
另外，本发明不使用使照相机从被摄体按实际测量距离移动的平台，而是将能够使照射到被摄体的光源的相位移动的装置加装于照相机内部或外部，因而具有几乎不发生生产所需的设备费用的效果。
另外，本发明由于实际位置不移动而是在固定的位置只变化脉冲相位并收集测量数据，因而与以往技术相比，具有极大缩短误差校正时间的效果。
附图说明
图1是显示以往TOF照相机的距离测量原理的图，
图2是显示以往TOF照相机距离测量中的因距离所致相位延迟的图，
图3是显示根据以往技术未校正非线性距离误差时的测量数据的图，
图4是显示根据以往技术校正了非线性距离误差时的测量数据的图，
图5是执行本发明一个实施例的利用脉冲相移的三维距离测量照相机的非线性距离误差校正方法的装置的示例性功能框图，
图6是显示执行本发明一个实施例的利用脉冲相移的三维距离测量照相机的非线性距离误差校正方法的装置的实际构成的图，
图7是显示本发明一个实施例的利用脉冲相移的三维距离测量照相机的非线性距离误差校正方法的图，
图8是用于说明本发明一个实施例中使输出光脉冲的相位延迟的示例性构成的图，
图9是显示根据本发明一个实施例未校正非线性距离误差时的测量数据的图，
图10是显示根据本发明一个实施例校正了非线性距离误差时的测量数据的图。
具体实施方式
对于本说明书公开的本发明概念的实施例的特定结构或功能性说明，只是用于说明本发明概念的实施例的目的而列举的，本发明概念的实施例可以以多样形态实施，不限定于本说明书说明的实施例。
本发明概念的实施例可以施加多样变更，可以具有多种形态，因而在附图中列举实施例，在本说明书中详细说明。但是，这并非要将本发明概念的实施例限定于特定公开形态，而是包括本发明的思想及技术范围内包括的所有变更、均等物或替代物。
第一或第二等术语可以用于说明多样的构成要素，但所述构成要素不得由所述术语限定。所述术语只用于把一种构成要素区别于另一构成要素的目的，例如，在不超出本发明概念的权利范围的前提下，第一构成要素可以命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以命名为第一构成要素。
当言及某种构成要素“连接”或“接续”于另一构成要素时，应理解为既可以是直接连接或接续于该另一构成要素，也可以在中间存在其它构成要素。相反，当言及某种构成要素“直接连接”或“直接接续”于另一构成要素时，应理解为在中间不存在其它构成要素。说明构成要素间的关系的不同表述，即“～之间”、“紧～之间”或“邻接～”、“直接邻接～”等也应相同地解释。
在本说明书中使用的术语只是为了说明特定实施例而使用的，并非要限定本发明之意。只要在文理上未明白地表示不同，单数的表现包括复数的表现。在本说明书中，“包括”或“具有”等术语应理解为是要指定本说明书中记载的特征、数字、步骤、动作、构成要素、部件或其组合的存在，不预先排除一个或其以上的其它特征或数字、步骤、动作、构成要素、部件或其组合的存在或附加可能性。
只要未不同地定义，包含技术性或科学性术语在内，在此使用的所有术语代表与本发明所属技术领域普通技术人员一般理解的内容相同的意义。与一般使用的字典定义的内容相同的术语，应解释为具有与在相关技术的文理上具有的意义一致的意义，只要在本申请中未明确定义，不得过于地或过度地解释为形式上的意义。
下面参照附图，详细说明本发明的优选实施例。
图5是执行本发明一个实施例的利用脉冲相移的三维距离测量照相机的非线性距离误差校正方法的装置的示例性功能框图，图6是显示执行本发明一个实施例的利用脉冲相移的三维距离测量照相机的非线性距离误差校正方法的装置的实际构成的图，图7是显示本发明一个实施例的利用脉冲相移的三维距离测量照相机的非线性距离误差校正方法的图。
如果参照图5至图7，本发明一个实施例的利用脉冲相移的三维距离测量照相机10的非线性距离误差校正方法包括相位调节步骤S10、发光步骤S20、受光步骤S30、距离误差校正值计算/存储步骤S40及测量是否结束判断步骤S50。
在相位调节步骤S10中，执行控制部150调节由发光部200输出的输出光脉冲的相位的过程。
例如，在本发明的一个实施例中，如果追加参照作为用于说明使输出光脉冲相位延迟的示例性构成的图的图8，在相位调节步骤S10中，控制部150可以构成得使输出光脉冲的相位按照将输出光脉冲的周期等间隔(equidistant interval)分割的值延迟。图8作为一个示例，输出光脉冲的调制频率f为50MHz，因而输出光脉冲的周期T为20ns，延迟相位，即，将输出光脉冲的周期等间隔分割的值为5ns。当然，这只是用于说明的一个示例。
下面说明如此构成的理由及其效果。
在说明以往技术的过程中，参照图2进行说明，但在利用包括TOF(Time OfFlight)照相机等的三维距离测量照相机10，为了生成深度图(depth map)而测量与被摄体的距离的过程中，发光部200输出到被摄体的输出光脉冲被被摄体反射，受光部300接收从被摄体反射的反射光脉冲，而受光部300接收的反射光脉冲的相位具有同与被摄体距离成比例延迟的特性。
本发明的一个实施例利用这种与被摄体距离同脉冲相位延迟的关系，在将三维距离测量照相机10的位置固定于一个特定地点的状态下，将与被摄体同照相机间实际距离对应地调节了相位的输出光脉冲照射到被摄体，通过这种构成，校正三维距离测量照相机10的非线性距离误差。
下面更具体说明这种构成。
本发明一个实施例的脉冲相移方式不在物理上变更三维距离测量照相机10与被摄体间的距离，而是使照射于被摄体的脉冲的相位移动，使实际被摄体反射回来的时间发生变化。如果利用这种原理，则可以看到无需物理性的位置移动也变化三维距离测量照相机10与被摄体间距离并进行测量的效果。
包括TOF照相机的三维距离测量照相机10的最大测量距离(测量范围)根据光输出所使用的调制频率而决定，可以使该调制频率的一个周期的时间与实际距离整合，可以利用如下数式1求出最大测量距离(测量范围)。
数式1:
最大测量距离(测量范围)＝C/(2f)、C(光速)＝3*1011mm，f为调制频率
调制频率f的一个周期时间与实际距离整合，如图8所示，如果使脉冲相位移动T/4，则移动测量范围的1/4。
例如，调制频率为50MHz时，测量范围为3000mm，如果使脉冲相位移动T/4，则移动测量范围的1/4，即750mm。
利用这种原理，使一个周期T等间隔移动，如果测量此时测量的相位值，则可以获得与根据以往技术利用平台时类似的效果。
根据本发明的这种构成，在从被摄体反射的光，即，反射光脉冲不被构成受光部300的图像传感器捕获的1～2米左右的特定地点使照相机固定并使用，因而与使用平台而使照相机位置进行物理移动的以信技术相比，具有无空间制约的优点。
另外，本发明不使用使照相机从被摄体移动实际测量距离的平台，而是在照相机内部或外部加装能够使向被摄体照射的光源的相位移动的装置，因而具有几乎不发生生产所需的设备费用的优点。
例如，控制部150可以构成得作为FPGA IP(Field Programmable Gate ArrayIntellectual Property)内置于三维距离测量照相机10，或配备于三维距离测量照相机10外部，当执行距离误差校正作业时，连接于三维距离测量照相机10。
在发光步骤S20中，执行发光部200向被摄体输出调节了相位的输出光脉冲的过程。
在受光步骤S30中，执行受光部300接收从被摄体反射的反射光脉冲的过程。
在距离误差校正值计算/存储步骤S40中，执行所述控制部150与推定实际距离对应地映射(mapping)输出光脉冲经调节的相位，利用输出光脉冲的输出时间点与反射光脉冲的接收时间点的时差来计算测量距离，计算并存储用于校正推定实际距离与测量距离的差异所需的距离误差校正值过程。
例如，在距离误差校正值计算/存储步骤S40中，控制部150可以将距离误差校正值存储为查找表(look-up table)形式。
在测量是否结束判断步骤S50中，执行控制部150以输出光脉冲的相位是否与预先设置的结束基准相位相同为基准，判断测量是否结束的过程。
例如，可以构成得当测量是否结束判断步骤S50的判断结果为输出光脉冲的相位与结束基准相位不同时，转换为相位调节步骤S10。
例如，相位调节步骤S10、发光步骤S20、受光步骤S30、距离误差校正值计算/存储步骤S40及测量是否结束判断步骤S50可以在三维距离测量照相机10的位置在物理上固定的状态下执行。
图9是显示根据本发明一个实施例未校正非线性距离误差时的测量数据的图，图10是显示根据本发明一个实施例校正了非线性距离误差时的测量数据的图。
如果追加参照图9及图10，可以确认，根据本发明一个实施例，即使在不使三维距离测量照相机的位置在物理上移动，而使相位与实际距离对应地移动的情况下，也可以实现与根据图3及图4公开的以往技术为了变更照相机与被摄体的距离而使用平台的方式类似或同等水平的距离误差校正。
正如以上所作的详细说明，根据本发明，在固定的位置，通过脉冲相移方式执行三维距离测量照相机10的非线性距离误差校正，从而具有能够克服在校正三维距离测量照相机10的非线性距离误差的过程中发生的空间制约性，能够减小为了距离误差校正而要求的设备费用，能够缩短距离误差校正时间的效果。
另外，本发明的利用脉冲相移方式的非线性距离误差校正方法在从被摄体反射的光不被传感器面捕获的1～2米左右的空间使照相机固定并使用，因而与以往方法相比，具有无空间制约的效果。
另外，本发明不使用使照相机从被摄体按实际测量距离移动的平台，而是将能够使照射到被摄体的光源的相位移动的装置加装于照相机内部或外部，因而具有几乎不发生生产所需的设备费用的效果。
另外，本发明由于实际位置不移动而是在固定的位置只变化脉冲相位并收集测量数据，因而与以往技术相比，具有极大缩短误差校正时间的效果。
附图标记
10：三维距离测量照相机
100：控制部
200：发光部
300：受光部
S10：相位调节步骤
S20：发光步骤
S30：受光步骤
S40：距离误差校正值计算/存储步骤
S50：测量是否结束判断步骤

Claims (5)

1.一种在固定于特定地点的三维距离测量照相机与特定距离处的被拍摄体之间的距离没有物理改变的状态下利用脉冲相移的三维距离测量照相机的非线性距离误差校正方法，包括：
相位调节步骤，控制部调节由发光部输出的输出光脉冲的相位；
发光步骤，所述发光部将所述调节了相位的输出光脉冲输出到被摄体；
受光步骤，受光部接收从所述被摄体反射的反射光脉冲；及
距离误差校正值计算/存储步骤，所述控制部将所述输出光脉冲经调节的相位与根据所述相位调节理论计算的推定实际距离对应地映射，利用所述输出光脉冲的输出时间点与所述反射光脉冲的接收时间点的时差来计算测量距离，计算并存储用于校正所述推定实际距离与所述测量距离的差异所需的距离误差校正值，以及
在所述距离误差校正值计算/存储步骤之后，还包括：
测量是否结束判断步骤，所述控制部以所述输出光脉冲的相位是否与预先设置的结束基准相位相同为基准，判断测量是否结束；
所述测量是否结束判断步骤的判断结果，当所述输出光脉冲的相位与所述结束基准相位不同时，转换为所述相位调节步骤。
2.根据权利要求1所述的利用脉冲相移的三维距离测量照相机的非线性距离误差校正方法，其特征在于，
在所述相位调节步骤中，所述控制部按照将所述输出光脉冲的周期等间隔分割的值，使所述输出光脉冲的相位延迟。
3.根据权利要求1所述的利用脉冲相移的三维距离测量照相机的非线性距离误差校正方法，其特征在于，
在所述距离误差校正值计算/存储步骤中，所述控制部将所述距离误差校正值存储为查找表形式。
4.根据权利要求1所述的利用脉冲相移的三维距离测量照相机的非线性距离误差校正方法，其特征在于，
所述相位调节步骤、所述发光步骤、所述受光步骤、所述距离误差校正值计算/存储步骤及所述测量是否结束判断步骤在所述三维距离测量照相机的位置固定的状态下执行。
5.根据权利要求1所述的利用脉冲相移的三维距离测量照相机的非线性距离误差校正方法，其特征在于，
所述控制部作为FPGA IP内置于所述三维距离测量照相机，或配备于所述三维距离测量照相机的外部，连接于所述三维距离测量照相机。
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