CN113687369A - 一种光谱信息与深度信息同步采集系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光谱信息与深度信息同步采集系统及方法。其系统包括：主动光源，用于向场景发射特定波长的脉冲光信号；物镜，用于将经过场景反射后的脉冲光信号以及经过场景反射后的自然光汇聚至分光装置；分光装置，用于将经过物镜汇聚的光线分为反射光线和透射光线两部分；深度信息获取单元，用于接收分光装置的透射光线，并获取透射光线的相位信息；光谱信息获取单元，用于接收分光装置的反射光线，并获取场景的原始光谱信息；信息处理装置，用于对透射光线的相位信息和场景的原始光谱信息进行实时计算处理，得到场景的深度信息和光谱信息。本发明的系统可以实现场景光谱信息与深度信息的同步获取，具有光学结构与电路结构简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及计算摄像学领域，尤其涉及一种同步采集、处理光谱信息和深度信息的系统及方法。
背景技术
在人类的五大感知途径中，视觉占据了70％左右的信息来源。借助视觉，我们能准确地拿起眼前的杯子，能阅读报纸与书籍，能在行走时避开障碍物，能完成复杂精密的设计工作。从简单的日常行为到复杂的工作，都高度依赖于人类的视觉感知。
人眼观察客观世界所获取的视觉信息可以由7维全光函数全面地描述。7维全光函数包括：视点位置(x,y,z)，光线角度
时刻(t)和光线波长(λ)。现有的图像采集手段普遍采用投影成像的原理，往往会丢失多个维度的视觉信息，使得人们只能通过二维的视角观察世界。随着时代的进步与技术的发展，当前相机成像的能力已经取得了巨大的提升。然而场景深度信息(z)的丢失与光谱信息(λ)的欠采样仍然是相机成像亟待解决的问题。
传统相机普遍采用麦克斯韦的三元色(RGB)成像原理，这导致相机通常只能采集到红、绿、蓝三个通道的信息。事实上，光谱所蕴含的信息远远不止红、绿、蓝三个通道，而传统相机无法采集到的其他光谱信息往往能够揭示场景更多的细节与本质。同时，场景的深度信息获取对于场景重构也至关重要。场景信息采集的完备化也将进一步推动计算机视觉领域中场景重构与目标识别方向的发展。
计算摄像学的主要研究方向是光场信息的采集与3D显示，致力于在传统相机成像的基础上获取场景的深度信息与光谱信息。根据技术条件和需求的不同，目前的场景信息采集系统大多是单功能的。市面上常见的光谱仪通常无法兼顾光谱分辨率、时间分辨率与空间分辨率。如点光谱仪，就是通过牺牲空间分辨率对光谱分辨率与时间分辨率进行补偿；扫描式光谱仪则通过牺牲时间分辨率换取光谱分辨率。并且，上述常见的光谱仪只能获取场景或物体的光谱信息，而无法获取其他维度的信息。基于双目立体视觉的深度信息捕获系统在获取场景或物体深度信息的同时却无法采集到光谱信息，而且双目立体视觉的算法过于复杂，对计算处理单元提出了非常高的要求。中国专利《一种全光信息采集系统》(公开号：CN105651384B)，其通过对场景进行空间采样，使用两路采集技术，分别采集场景的光谱信息与彩色图像，随后利用两路采集图像的位置关系，通过双目立体视觉算法求得场景的深度信息。但是该系统的光路实现过于复杂，且深度信息的获取需要通过复杂的算法计算，高度依赖计算处理单元的性能。
随着近几年光谱信息与深度信息的获取在计算机视觉领域中重要性的提高，通过改进得到一款原理更简单、复杂度更低的光谱与深度信息获取装置，具有非常重要的意义与广泛的实用价值。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明旨在提出一种光谱信息与深度信息同步采集系统及方法，可以实现光谱信息与深度信息的同步获取，并降低了光路结构的复杂性和算法计算的复杂度。
为达到上述目的，本发明采用的方案技术为：
一种光谱信息与深度信息同步采集系统，包括：主动光源，用于向场景发射特定波长的脉冲光信号；物镜，用于将经过场景反射后的脉冲光信号以及经过场景反射后的自然光汇聚至分光装置；分光装置，用于将经过所述物镜汇聚的光线分为反射光线和透射光线两部分；深度信息获取单元，用于接收所述分光装置的透射光线，并获取所述透射光线的相位信息；光谱信息获取单元，用于接收所述分光装置的反射光线，并根据所述反射光线获取场景的原始光谱信息；信息处理装置，用于对获取到的透射光线的相位信息和场景的原始光谱信息进行实时计算处理，得到场景的深度信息和光谱信息。
进一步地，所述深度信息获取单元包括：TOF成像装置，用于接收所述分光装置的透射光线，并对接收到的透射光线在一个周期内进行多次等间隔采样，获取透射光线的相位信息；深度光路采集装置，用于对所述TOF成像装置获取到的透射光线的相位信息进行实时读出，并上传到信息处理装置。
进一步地，所述光谱信息获取单元包括：滤波装置，用于限制进入灰度成像装置的光线的波长范围；灰度成像装置，用于接收所述分光装置的反射光线，并获取反射光线的原始光谱信息；光谱光路采集装置，用于对所述灰度成像装置获取到的反射光线的原始光谱信息进行实时读出，并上传到信息处理装置。
进一步地，所述滤波装置为像元级滤波装置。
进一步地，所述滤波装置包括按照光路依次设置的稀疏采样装置、带通滤波片、准直透镜、色散装置以及聚焦透镜。
进一步地，所述主动光源包括LED、光源驱动装置以及多个偏振装置；多个所述偏振装置分别设置在LED之前、分光装置之后。
进一步地，所述主动光源包括垂直腔体发射器和光源驱动装置。
进一步地，所述分光装置为分光镜。
本发明利用上述光谱信息与深度信息同步采集系统的采集方法，其步骤包括：由主动光源向场景发射特定波长的脉冲光信号，经场景反射后的脉冲光信号和自然光汇聚至分光装置；汇聚光经过分光装置后的透射光线进入深度信息获取单元，深度信息获取单元获取透射光线的相位信息；汇聚光经过分光装置后的反射光线进入光谱信息获取单元，光谱信息获取单元获取场景的原始光谱信息；然后深度信息获取单元和光谱信息获取单元分别将获取的信息发送给信息处理装置，信息处理装置进行实时计算处理得到场景的深度信息和光谱信息。
本发明的系统可以实现场景光谱信息与深度信息的同步获取，在弥补传统成像设备缺乏高分辨率光谱信息和深度信息的问题的同时，简化了系统的光学结构与电路结构，降低了算法处理的复杂度，提升了系统的可靠性与稳定性。另外，通过调整系统装置的参数可以获取更高的光谱分辨率；还可以通过改变主动光源驱动装置所发出的脉冲光信号频率来改变系统的有效测量距离。
附图说明
图1是本发明实施例1的光谱信息与深度信息同步采集系统的结构示意图；
图2是本发明实施例1中使用的稀疏采样装置的示意图；
图3是本发明实施例2的光谱信息与深度信息同步采集系统的结构示意图；
图4是本发明实施例3的光谱信息与深度信息同步采集系统的结构示意图；
图5示出了TOF成像装置的像元与光谱光路采集装置的像元之间的一种对应关系。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。正如本领域内相关技术人员能够认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是用于解释本发明，而不能理解成是具有限制性的。
实施例1
图1示出了本实施例的一种光谱信息与深度信息同步采集系统100的结构。同步采集系统100包括主动光源、物镜50、分光装置10、光谱信息获取单元、深度信息获取单元和信息处理装置30。物镜50用于将经过场景反射后的脉冲光信号以及经过场景反射后的自然光汇聚至分光装置10；分光装置10将来自场景的入射光线分为反射光线与透射光线两部分，透射光线与反射光线的占比可通过使用不同的分光装置进行灵活调整。在本实施例中，反射光线与透射光线的占比为8:2，更多的光进入光谱信息获取单元以确保采集光谱信息时获得足够的光通量。光谱信息获取单元包括沿光路依次放置的稀疏采样装置11、带通滤波片12、准直透镜13、色散装置14、聚焦透镜15、灰度成像装置16和光谱光路采集装置17。本实施例中的稀疏采样装置11为掩膜，用于对场景光线进行空间采样。所述掩膜的开孔位置与开孔形状需要经过仔细的设计，其开孔原则是在确保采样后的光线不出现光谱混叠的前提下进行最大密度的开孔；孔洞的大小直接关系到光通量和光谱分辨率，光通量与光谱分辨率此消彼长，因此在确定掩膜开孔尺寸时需要仔细权衡两者之间的关系。带通滤波片12对通过的光线进行频域滤波，用于滤除杂散光。在本实施例中，带通滤波片12选用波长400～600nm的带通滤波片。准直透镜13将通过带通滤波片12的光线进行准直，确保经过准直透镜13之后的光线为平行光。色散装置14位于准直透镜13的后端，用于将通过成像阵列装置的透射光线色散为多个波长上的光谱，为阿米西棱镜。本发明的实例中采用的阿米西棱镜由一块火石玻璃和两块冕牌玻璃组成，对于相同波长的光线来说，火石玻璃的折射率更强。由于阿米西棱镜的特性，其对于平行入射的光线仍然可以几乎平行的出射，从而可以有效的降低成像的几何畸变。进一步地，相比使用普通的三棱镜，使用阿米西棱镜能够增加系统的光通量，进而提升成像的信噪比。通过色散装置14后的光通过聚焦透镜15汇聚后进入灰度成像装置16进行成像，并由光谱光路采集装置17进行数据的实时读出。
图2示出了本实施例中使用的稀疏采样装置11，该装置为一个特别制作的掩膜，每个掩膜孔在第一方向上的宽度为0.025mm，在第二方向上的宽度为0.15mm，掩膜开孔之间在第一方向上的距离为0.9mm，在第二方向上的距离为0.2mm。具体来说，为了方便掩膜的制作，掩膜开孔使用均匀的孔洞分布方式，这样的做法还有助于后期进行成像畸变的矫正。由于本发明中光谱只在第一方向上展开，因此掩膜孔洞在第二方向上的宽度可以固定，本发明中设计孔洞在第二方向上的宽度为0.15mm。掩膜孔洞在第一方向上的宽度增加会引起光通量的增加，但相应的光谱分辨率会降低，采集到的光谱会变得模糊。过小的宽度会导致光通量不足，过大的宽度则会导致光谱分辨率过低，丢失细节。经过权衡与比对，本发明中采用在第一方向上的宽度为0.025mm的孔洞尺寸。此外，孔洞每行之间错开排列可以防止上下采样点之间的相互干扰。
在采集到场景的光谱信息后需要对获取到的光谱信息进行校正。由于色散装置14对不同波长的光具有不同的折射率，光线经过色散装置14与聚焦透镜15后在灰度成像装置16上的光谱展开具有与波长相关的非线性特质。本实施例通过对比实际拍摄荧光灯光源获取到的光谱信息与已知光谱特征的荧光灯光源的光谱曲线，使用B-spline曲线进行拟合校正。
深度信息获取单元包括TOF成像装置20、主动光源驱动装置21、深度光路采集装置22和大功率LED 23。TOF成像装置20，用于接收所述分光装置的透射光线，并用于对接收到的透射光线在一个周期内进行多次等间隔采样，获取透射光线的相位信息。TOF成像装置20向主动光源驱动装置21发出控制信号，并由主动光源驱动装置21对该控制信号进行调制。主动光源驱动装置21内的驱动电路需要能够在输出较大功率的情况下进行高速的开关操作，因此电路的高频效应、功耗与热效应均需要得到很好的满足，本发明中设计的驱动电路以金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为开关，并包含高频电感、整流二极管、缓冲稳压二极管、高频电容等元器件。驱动电路控制光源按特定频率发出脉冲光信号。光谱光路采集装置17与深度光路采集装置22分别对接收到的信息进行实时读出，并上传到信息处理装置30进行实时的数据处理与计算。
在大功率LED 23前放置偏振装置一43，仅允许某一特定角度的光线通过该偏振装置，所述特定角度是人为可控的；在TOF成像装置20前放置偏振装置二42，偏振装置二42与偏振装置一43的偏振角保持一致；在稀疏采样装置11前放置偏振装置三41，偏振装置三41的偏振角与偏振装置一43、偏振装置二43相差90度。上述偏振装置一43、偏振装置二43与偏振装置三41的作用在于完全抑制由大功率LED23所发出的光脉冲信号对光谱信息的采集所造成的影响。
实施例2
图3示出了本实施例的光谱信息与深度信息同步采集系统101的结构。与实施例1的系统100的主要区别在于：使用垂直腔体发射器VCSEL 24代替了系统100中的大功率LED23。与VCSEL相比，传统的大功率LED内部没有谐振腔，光束发散，必须提供更多的输入功率以克服损失，所以其功耗通常较高；LED无法在高调制频率下工作，而VCSEL能够实现快速调制，以实现更高的分辨率；相比LED，VCSEL拥有更好的温度稳定性，在工作温度及环境温度变化的情况下仍然能够保持较好的稳定性。
由于VCSEL光源的发散角较小，为了能够准确测量整个被测场景的深度信息，在VCSEL光源前端还需要添加漫透射片25，以确保光脉冲信号能够接触到场景的全部表面。光源的种类与发射光的波长范围需要仔细考虑，在本实施例中主动光源驱动装置21选择845nm垂直腔面发射激光器VCSEL作为光源。如此，由于在本实施中使用的带通滤波片12可以通过400～600nm波长的光，因此在抑制杂散光的同时可以完全抑制845nm波长光线的干扰，无需另外加偏振装置。
实施例3
图4示出了本实施例的光谱信息与深度信息同步采集系统102的结构。同步采集系统102在系统100的基础上，使用像元级滤波装置18取代了系统100中的稀疏采样装置11、带通滤波片12、准直透镜13、色散装置14和聚焦透镜15。在系统102中，光谱信息获取单元包括灰度成像装置16、光谱光路采集装置17和像元级滤波装置18。像元级滤波装置18为集成在光谱光路采集装置17表面的静态滤波结构，能够实现与光谱光路采集装置17的像元大小相匹配的滤波功能。
在本实施例中，TOF成像装置20应选择像元较大的传感器，设定TOF成像装置20的像元大小为b×b；光谱光路采集装置17的像元大小不应大于TOF成像装置20的像元大小的四分之一，设定光谱光路采集装置17的像元大小为a×a。图5示出了TOF成像装置20的像元与光谱光路采集装置17的像元之间的一种对应关系。在图3中示出了当b＝3a时TOF成像装置20的像元与光谱光路采集装置17的像元的对应关系示意图，一个TOF成像装置20的像元大小与9个光谱光路采集装置17的像元相对应。根据上述对应关系，每一个TOF成像装置的像素点能够采集到9个通道的光谱信息。设定每一个TOF成像装置20的像元内对应的9个像元级滤波装置16的滤波片为一组，每一组滤波片内的9个滤波片分别对应9个不同的中心波长，滤波片组与组之间的特性保持一致。
需要指出的是，本实施例中每一个TOF成像装置20的像元都能够与9个光谱光路采集装置17的像元相对应，TOF成像装置20与光路采集装置17的像元大小对应关系为b＝3a。在本发明的精神和原则之内，技术人员也可以使用b＝n*a的像元，其中n为≥2的正整数。在n为正整数的前提下，该实施例中两路光路采集到的图像无需进行图像配准。
本发明的光谱信息与深度信息同步采集系统中所述灰度成像装置16与TOF成像装置20在对同一场景进行拍摄时需要进行同步。在本发明的所有实施例中，均采用外同步信号进行同步。
本发明的光谱信息与深度信息同步采集系统采集到的图像中每一个像素点所表征的光谱信息与深度信息均是从场景中直接进行获取得到，而非使用重建算法获得，最大程度地保留了场景的真实信息。
本发明的所有实施例中，光谱光路采集装置17与深度光路采集装置22连接到嵌入式开发板进行数据储存，并上传到信息处理装置30进行实时的数据计算处理。信息处理装置30包括但不限于使用FPGA、ASIC、CPU进行运算处理。
本发明的光谱信息与深度信息同步采集系统不限于实验室环境下光谱信息与深度信息的同步采集。本发明的系统供电电源能够由外部单独提供，从而摆脱应用场地的限制。
本发明所列举的三个实施例均为直接采集光谱视频信息，通道数远大于RGB滤光片，承载着更多的光谱信息；每个光谱通道与传感器像元一一对应，极大简化光谱相机分光结构，具备高速获取光谱图像或视频数据的能力。
Claims (9)
1.一种光谱信息与深度信息同步采集系统，其特征在于，所述系统包括：
主动光源，用于向场景发射特定波长的脉冲光信号；
物镜，用于将经过场景反射后的脉冲光信号以及经过场景反射后的自然光汇聚至分光装置；
分光装置，用于将经过所述物镜汇聚的光线分为反射光线和透射光线两部分；
深度信息获取单元，用于接收所述分光装置的透射光线，并获取所述透射光线的相位信息；
光谱信息获取单元，用于接收所述分光装置的反射光线，并根据所述反射光线获取场景的原始光谱信息；
信息处理装置，用于对获取到的透射光线的相位信息和场景的原始光谱信息进行实时计算处理，得到场景的深度信息和光谱信息。
2.根据权利要求1所述的光谱信息与深度信息同步采集系统，其特征在于，所述深度信息获取单元包括：
TOF成像装置，用于接收所述分光装置的透射光线，并对接收到的透射光线在一个周期内进行多次等间隔采样，获取透射光线的相位信息；
深度光路采集装置，用于对所述TOF成像装置获取到的透射光线的相位信息进行实时读出，并上传到信息处理装置。
3.根据权利要求1所述的光谱信息与深度信息同步采集系统，其特征在于，所述光谱信息获取单元包括：
滤波装置，用于限制进入灰度成像装置的光线的波长范围；
灰度成像装置，用于接收所述分光装置的反射光线，并获取反射光线的原始光谱信息；
光谱光路采集装置，用于对所述灰度成像装置获取到的反射光线的原始光谱信息进行实时读出，并上传到信息处理装置。
4.根据权利要求3所述的光谱信息与深度信息同步采集系统，其特征在于，所述滤波装置为像元级滤波装置。
5.根据权利要求3所述的光谱信息与深度信息同步采集系统，其特征在于，所述滤波装置包括按照光路依次设置的稀疏采样装置、带通滤波片、准直透镜、色散装置以及聚焦透镜。
6.根据权利要求1所述的光谱信息与深度信息同步采集系统，其特征在于，所述主动光源包括LED、光源驱动装置以及多个偏振装置；多个所述偏振装置分别设置在LED之前、分光装置之后。
7.根据权利要求1所述的光谱信息与深度信息同步采集系统，其特征在于，所述主动光源包括垂直腔体发射器和光源驱动装置。
8.根据权利要求1所述的光谱信息与深度信息同步采集系统，其特征在于，所述分光装置为分光镜。
9.利用如权利要求1所述一种光谱信息与深度信息同步采集系统的采集方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：由主动光源向场景发射特定波长的脉冲光信号，经场景反射后的脉冲光信号和自然光汇聚至分光装置；汇聚光经过分光装置后的透射光线进入深度信息获取单元，深度信息获取单元获取透射光线的相位信息；汇聚光经过分光装置后的反射光线进入光谱信息获取单元，光谱信息获取单元获取场景的原始光谱信息；然后深度信息获取单元和光谱信息获取单元分别将获取的信息发送给信息处理装置，信息处理装置进行实时计算处理得到场景的深度信息和光谱信息。
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