CN114040186A - 一种光学运动捕捉方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光学运动捕捉方法及装置，装置包括相机、脉冲激光光源和控制器；相机和脉冲激光光源固定连接，控制器与相机和脉冲激光光源电连接；脉冲激光光源包括激光二极管阵列，激光二极管阵列包括多个激光二极管环，每个激光二极管环上均匀分布多个激光二极管；控制器，用于确定脉冲激光光源的脉宽和相机的曝光时间，脉冲激光光源的脉宽小于相机的最小曝光时间；在曝光时间内，获取目标图像，目标的成像积分时间与脉冲激光光源的脉宽相同。本申请控制脉冲激光光源的脉宽小于相机的最小曝光时间，减小了目标图像成像积分时间，降低高速运动目标的运动模糊效应，提高高速运动目标图像的清晰度。

Description

一种光学运动捕捉方法及装置

技术领域

本申请涉及运动捕捉技术领域，尤其涉及一种光学运动捕捉方法及装置。

背景技术

光学运动捕捉是通过采集运动物体在三维空间的运动位置，捕捉物体在三维空间中的运动轨迹。

相关的光学运动捕捉技术是将表面贴有特制的标志(称为Marker)的目标，放置于多个相机的视野重叠区，通过相机连续的拍摄对Marker进行采集和捕捉，获得目标的运动轨迹，进而实现对目标的监视和跟踪；为了得到准确的运动轨迹，要求相机要有较高的拍摄速率，但对于高速运动目标(如直升机旋翼)的采集和捕捉，需要单帧采集成像积分时间小于1微秒，甚至是达到百纳秒或者十纳秒级，才可以得到清晰的运动轨迹。

然而，现有运动捕捉相机通常最小曝光时间高于1微秒，无法通过调节曝光时间降低成像积分时间，导致采集到的运动轨迹模糊、测量精度下降、甚至空间三维重建失败。

发明内容

本申请提供了一种光学运动捕捉方法及装置，以解决对于高速运动目标无法获得清晰的运动轨迹的技术问题。

为了达到上述目的，本申请实施例采用以下技术方案：

第一方面，本申请部分实施例提供一种光学运动捕捉装置，包括相机、脉冲激光光源和控制器；

所述相机和所述脉冲激光光源固定连接，所述控制器与所述相机和所述脉冲激光光源电连接；

所述脉冲激光光源包括激光二极管阵列；

所述控制器，用于确定脉冲激光光源的脉宽和相机的曝光时间，所述脉冲激光光源的脉宽小于或等于所述相机的最小曝光时间；

在所述曝光时间内，获取目标图像，所述目标的成像积分时间与所述脉冲激光光源的脉宽相同。

在一种可能的方式中，所述激光二极管阵列包括多个激光二极管环，且相邻激光二极管环之间夹角为第一夹角；每个所述激光二极管环上均匀分布多个激光二极管。

在一种可能的方式中，所述激光二极管具有基底；所述相邻激光二极管环上激光二极管的基底之间夹角为第一夹角。

在一种可能的方式中，所述脉冲激光光源为窄脉冲激光光源，所述激光二极管阵列为窄脉冲型激光二极管阵列。

在一种可能的方式中，所述相机的镜头端设有窄带滤光片；所述脉冲激光光源的中心波长在所述窄带滤光片的中心波长范围内。

在一种可能的方式中，所述装置还包括同步触发器，与所述控制器电连接，且与所述相机和所述脉冲激光光源电连接。

在一种可能的方式中，所述装置还包括标志，所述标志设在目标上；所述标志被照亮的时间等于所述脉冲激光光源的脉宽。

第二方面，本申请部分实施例提供一种光学运动捕捉方法，包括：

确定脉冲激光光源的脉宽和相机的曝光时间，所述脉冲激光光源的脉宽小于或等于所述相机的最小曝光时间；

在所述曝光时间内，获取目标图像，所述目标图像的成像积分时间与所述脉冲激光光源的脉宽相同；

根据所述目标图像，确定目标的运动轨迹。

在一种可能的方式中，在确定目标的运动轨迹之后，所述方法还包括：

根据所述目标图像，和所述运动轨迹，确定所述目标的三维模型。

在一种可能的方式中，所述目标和所述目标上标志被照亮的时间等于所述脉冲激光光源的脉宽。

本申请提供一种光学运动捕捉方法及装置，装置包括相机、脉冲激光光源和控制器；所述相机和所述脉冲激光光源固定连接，所述控制器与所述相机和所述脉冲激光光源电连接；所述脉冲激光光源包括激光二极管阵列，激光二极管阵列包括多个激光二极管环，每个激光二极管环上均匀分布多个激光二极管；所述控制器，用于确定脉冲激光光源的脉宽和相机的曝光时间，所述脉冲激光光源的脉宽小于或等于所述相机的最小曝光时间；在所述曝光时间内，获取目标图像，所述目标的成像积分时间与所述脉冲激光光源的脉宽相同。本申请控制脉冲激光光源的脉宽小于相机的最小曝光时间，减小了目标图像成像积分时间，降低高速运动目标的运动模糊效应，提高高速运动目标图像的清晰度。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一种光学运动捕捉装置构成的拍摄示意图；

图2为本申请实施例一种光学运动捕捉装置的结构示意图；

图3为本申请实施例单个激光二极管成像示意图；

图4为本申请实施例光学运动捕捉装置中脉冲激光光源的俯视图；

图5为本申请图2纵向剖面图；

图6为本申请实施例一种光学运动捕捉方法的流程图；

其中：1-图像采集设备；2-光线补偿设备；10-相机；11-窄带滤光片；20-脉冲激光光源；21-激光二极管。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

光学运动捕捉通常通过对目标上特制的标志的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。典型的光学式运动捕捉系统通常有多个相机，环绕排列，相机的视野重叠区域为目标的运动范围。通过在目标表面贴特制的标志(称Marker)，相机连续拍摄，将图像序列保存下来，然后再进行分析和处理，识别其中的标志，并确定目标在每一瞬间的空间位置，进而得到目标的运动轨迹；为了得到准确的运动轨迹，要求相机要有较高的拍摄速率，一般要求达到每秒60帧以上。

从理论上说，对于空间的任意一个点，只要它能同时被两台摄像机所见，则根据同一瞬间两相机所拍摄的图像和相机参数，即可以确定这一时刻该点的空间位置。当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。但对于高速运动目标(如直升机旋翼)的采集和捕捉，需要单帧采集成像积分时间小于1微秒，甚至是达到百纳秒或者十纳秒级，才可以得到清晰的运动轨迹。

而运动捕捉相机的最小曝光时间一般高于1微秒，无法通过调节曝光时间无限降低积分时间；且光学式运动捕捉系统中LED光源无法满足目标点在图像上的亮度需求。

为了解决上述问题，本申请实施例提供一种光学运动捕捉方法及装置，所述光学运动捕捉装置包括多个相机，用于从不同视点采集图像；还包括多个脉冲激光光源，所述脉冲激光光源与所述相机固定连接，用于为高速运动目标的采集和捕捉提供高频率频闪，所述脉冲激光光源由窄脉冲的激光二极管阵列组成，可提高单次脉冲高峰值的输出功率，也可增加对高速运动目标的照射角。通过脉冲激光光源和相机的组合，降低捕捉目标的成像积分时间，满足高速运动目标的采集需求，并得到清楚的运动轨迹。

本申请所述脉冲激光光源的脉宽可以低至1微秒以下，甚至是十纳秒到百纳秒。

本申请部分实施例提供一种光学运动捕捉装置，如图1所示，所述装置包括图像采集设备1、光线补偿设备2和控制设备，图像采集设备1和光线补偿设备2固定连接，所述图像采集设备1用于采集目标的图像信息，所述光线补偿设备2用于对所述目标进行补光，所述光线补偿设备2的脉宽小于等于所述图像采集设备1的最小曝光时间。

如图1所示，多组光学运动捕捉装置可以组成光学运动捕捉系统。多组光学运动捕捉装置的视野重叠区域为目标的运动范围。

所述图像采集设备1可以是图像采集传感器，图像采集传感器可以是普通相机，也可以是光学相机。

所述光线补偿设备2的脉宽是可调节的，所述光线补偿设备2的脉宽可以是十纳秒级或者百纳秒级。例如，所述光线补偿设备2可以具有1微秒以下的脉宽，所述光线补偿设备的脉宽可以在10纳秒到200纳秒之间。

所述光线补偿设备2需要同时具备窄脉冲和高峰值功率的需求。在一次图像采集传感器曝光周期内，目标被光照亮的时间为脉宽(X纳秒)，因此目标实际成像积分时间也为X纳秒，降低运动模糊效应。在超短的积分时间内，需要目标亮度满足图像处理的需求，因此光线补偿设备2由窄脉冲的激光二极管阵列组成，通过将激光二极管堆叠的方式，提升峰值功率；由于激光二极管方向性强，在同等电功率下，有效范围内的发光效率比普通LED光源高数倍。

本申请中的目标可以是高速运动的目标，也可以是非高速运动的目标。所述目标上具有标志，所述标志在光线补偿设备2的光照射下具有回光反射的特性。

在一些实施例中，所述目标上的标志可以是一个，也可以是多个，根据所述目标的形状以及要获取的运动轨迹或者是三维建模等确定对应标志的数量，以及其设置的位置。

例如，所述目标为直升机旋翼，可以在旋翼的每个桨叶上设置标志，根据桨叶的尺寸确定每个桨叶上标志的个数，当对于直升机旋翼运动轨的捕获只是用于还原其转速在空间三维的运动状态，可以在每个桨叶上设置一个标志；当需要准确尺寸下的直升机旋翼运动轨，可能需要在每个桨叶上设置一组标志，这组标志可展示对应桨叶的尺寸与形状。

在光线补偿设备2未开启时，目标呈现暗场，标志融入背景无法被识别，当在光线补偿设备2开启时，目标上标志被照亮，可以与背景区分。

本申请通过将光线补偿设备2的脉宽设在1微秒以下，控制高速运动目标的成像积分时间，获得高速运动目标清晰的运动轨迹，不需要专业的高速运动捕捉相机。

本申请部分实施例还提供一种光学运动捕捉装置，如图2所示，所述装置包括相机10、脉冲激光光源20、控制器和同步触发器；所述相机10和所述脉冲激光光源20固定连接，且所述相机10和所述脉冲激光光源20的主轴共线；所述控制器与同步触发器、所述相机10、所述脉冲激光光源20电连接；同步触发器和所述相机10、所述脉冲激光光源20电连接，用于实现相机10和脉冲激光光源20的同步控制。

所述脉冲激光光源20为窄脉冲激光光源，所述脉冲激光光源的脉宽小于或等于所述相机的最小曝光时间。脉冲激光光源的脉宽是可调节，可以是十纳秒级或百纳秒级，例如，脉冲激光光源的脉宽小于1微秒，所述脉冲激光光源的脉宽在10纳秒到200纳秒之间。通过调节窄脉冲激光光源的脉宽控制目标上标志在单采集周期内的点亮时间，等效于控制目标点的成像积分时间，以减弱运动模糊效应。

所述相机10的镜头端设有窄带滤光片11，窄带滤光片11与所述脉冲激光光源20的波长匹配；所述窄带滤光片11的波长范围，可以根据光学运动捕捉装置需要定制，或者选择。

所述脉冲激光光源20的中心波长在所述窄带滤光片11的中心波长范围内，也可以是脉冲激光光源20的中心波长与窄带滤光片11的中心波长相同。

在超短的成像积分时间内使目标亮度满足图像处理的需求，要求光源具备高峰值功率，本申请提出采用激光二极管堆叠的方式提升峰值功率，由于激光二极管方向性更强，在同等电功率下，有效范围内的发光效率比LED光源高。

同时，通过激光二极管堆叠的方式使得激光二极管的空间照射方向在运动捕捉照射角内均匀分布。

所述脉冲激光光源20由窄脉冲的激光二极管阵列组成，激光二极管阵列是由激光二极管堆叠方式组成，激光二极管的空间照射方向在运动捕捉照射角内均匀分布；激光二极管阵列提供高频率频闪，同时提高了单次脉冲高峰值功率输出，以及增加了照射角。

本申请通过激光二极管21作为脉冲激光光源20中最小的发光单元；激光二极管21具有体积小、电光效率高以及易于集成的特征，激光二极管21射出的激光为高斯光束，如图3所示，其远扬光束的截面为椭圆形，椭圆的长轴垂直于PN结平面，激光二极管21在子午方向(即垂直PN结方向)和弧矢方向(即平行PN结方向)的发散角，分别记为θ⊥和θ∥，θ⊥可以在10°-40°之间，θ∥可以在6°-10°左右。

由于激光二极管没有LED的发散角大，因此本申请脉冲激光光源中的激光二极管呈环形阵列分布式，通过对激光二极管进行合理排布以满足光源照射角需求。

如图4所示，激光二极管阵列包括多个激光二极管环，每个所述激光二极管环上均匀分布多个激光二极管21。激光二极管阵列呈多层环形分布，每个激光二极管21在子午方向沿环形径向排列，即弧矢方向沿环形切向分布，每层(每个圆环)上二极管沿环周均匀分布，相邻两二极管所在半径间夹角为ɑ，最大不超过θ∥，以保证光场在圆环切向上连续无盲区。

如图5所示，相邻激光二极管环上激光二极管21的基底之间夹角为第一夹角β，即相邻两层激光二极管环上激光二极管21的基底间夹角为β，β最大不超过θ⊥，用于确保光场在径向上连续无盲区。

例如，脉冲激光光源的脉宽为100纳秒，相机的曝光时间为15微秒，在15微秒的单次相机曝光周期内，逆反射目标被照亮的时间只有100ns，因此逆反射目标的实际成像积分时间也仅为100ns，是相机最小快门的1/150，大幅降低了运动模糊效应。

本实施例提供高频率频闪照明，实现运动目标超短时间的积分成像，用于后续运动捕捉数据处理，有效地满足高速运动捕捉场景的需求。

本申请提供一种光学运动捕捉装置，包括相机、脉冲激光光源和控制器；所述相机和所述脉冲激光光源固定连接，所述控制器与所述相机和所述脉冲激光光源电连接；所述脉冲激光光源包括激光二极管阵列，激光二极管阵列包括多个激光二极管环，每个激光二极管环上均匀分布多个激光二极管；所述控制器，用于确定脉冲激光光源的脉宽和相机的曝光时间，所述脉冲激光光源的脉宽小于或等于所述相机的最小曝光时间；在所述曝光时间内，获取目标图像，所述目标的成像积分时间与所述脉冲激光光源的脉宽相同。本申请控制脉冲激光光源的脉宽小于相机的最小曝光时间，减小了目标图像成像积分时间，降低高速运动目标的运动模糊效应，提高高速运动目标图像的清晰度。

本申请部分实施例还提供一种光学运动捕捉方法，如图6所示，所述捕捉方法包括如下步骤：

S101、确定脉冲激光光源的脉宽和相机的曝光时间，所述脉冲激光光源的脉宽小于或等于所述相机的最小曝光时间。

脉冲激光光源的脉宽是可调节，可以是十纳秒级或百纳秒级，例如，脉冲激光光源的脉宽小于1微秒，所述脉冲激光光源的脉宽在10纳秒到200纳秒之间。

所述脉冲激光光源为窄脉冲激光光源，通过调节窄脉冲激光光源的脉宽控制目标上标志在单采集周期内的点亮时间，等效于控制目标点的成像积分时间，以减弱运动模糊效应。

脉冲激光光源的脉宽和相机的曝光时间，根据目标确定。在常用的运动捕捉相机最小曝光时间无法满足目标的成像积分时间时，本实施例通过确定脉冲激光光源的脉宽小于相机的最小曝光时间，并满足目标的成像积分时间。

S102、在所述曝光时间内，获取目标图像，所述目标图像的成像积分时间等于所述脉冲激光光源的脉宽。

其中，所述目标和所述目标上标志被照亮的时间等于所述脉冲激光光源的脉宽。

例如，脉冲激光光源的脉宽为100纳秒，相机的曝光时间为15微秒，在15微秒的单次相机曝光周期内，逆反射目标被照亮的时间只有100ns，因此逆反射目标的实际成像积分时间也仅为100ns，是相机最小快门的1/150，大幅降低了运动模糊效应。通过提供高频率频闪照明，实现运动目标超短时间的积分成像，用于后续运动捕捉数据处理，有效地满足高速运动捕捉场景的需求。

S103、根据所述目标图像，确定目标的运动轨迹。

S104、根据所述目标图像和所述运动轨迹，确定所述目标的三维模型。

本申请提供一种光学运动捕捉方法，确定脉冲激光光源的脉宽和相机的曝光时间，所述脉冲激光光源的脉宽小于所述相机的曝光时间；在所述曝光时间内，获取目标图像，所述目标图像的成像积分时间等于所述脉冲激光光源的脉宽；根据所述目标图像，确定目标的运动轨迹。本申请控制脉冲激光光源的脉宽小于相机曝光时间，减小了目标图像成像积分时间，降低高速运动目标的运动模糊效应，提高高速运动目标图像的清晰度。

以上内容仅为说明本申请的技术思想，不能以此限定本申请的保护范围，凡是按照本申请提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本申请权利要求书的保护范围之内。

此外，除非权利要求中明确说明，本申请所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本申请流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本申请实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

针对本申请引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本申请作为参考。与本申请内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本申请权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本申请中的)也除外。需要说明的是，如果本申请附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本申请所述内容有不一致或冲突的地方，以本申请的描述、定义和/或术语的使用为准。

Claims (10)

1.一种光学运动捕捉装置，其特征在于，包括相机、脉冲激光光源和控制器；

所述相机和所述脉冲激光光源固定连接，所述控制器与所述相机和所述脉冲激光光源电连接；

所述脉冲激光光源包括激光二极管阵列；

所述控制器，用于确定脉冲激光光源的脉宽和相机的曝光时间，所述脉冲激光光源的脉宽小于或等于所述相机的最小曝光时间；

在所述曝光时间内，获取目标图像，所述目标的成像积分时间与所述脉冲激光光源的脉宽相同。

2.根据权利要求1所述的一种光学运动捕捉装置，其特征在于，所述激光二极管阵列包括多个激光二极管环，且相邻激光二极管环之间夹角为第一夹角；

每个所述激光二极管环上均匀分布多个激光二极管。

3.根据权利要求2所述的一种光学运动捕捉装置，其特征在于，所述激光二极管具有基底；

所述相邻激光二极管环上激光二极管的基底之间夹角为第一夹角。

4.根据权利要求1所述的一种光学运动捕捉装置，其特征在于，所述脉冲激光光源为窄脉冲激光光源，所述激光二极管阵列为窄脉冲型激光二极管阵列。

5.根据权利要求1所述的一种光学运动捕捉装置，其特征在于，所述相机的镜头端设有窄带滤光片；

所述脉冲激光光源的中心波长在所述窄带滤光片的中心波长范围内。

6.根据权利要求1所述的一种光学运动捕捉装置，其特征在于，所述装置还包括同步触发器，与所述控制器电连接，且与所述相机和所述脉冲激光光源电连接。

7.根据权利要求1所述的一种光学运动捕捉装置，其特征在于，所述装置还包括标志，所述标志设在目标上；

所述标志被照亮的时间等于所述脉冲激光光源的脉宽。

8.一种光学运动捕捉方法，其特征在于，包括：

确定脉冲激光光源的脉宽和相机的曝光时间，所述脉冲激光光源的脉宽小于或等于所述相机的最小曝光时间；

在所述曝光时间内，获取目标图像，所述目标图像的成像积分时间与所述脉冲激光光源的脉宽相同；

根据所述目标图像，确定目标的运动轨迹。

9.根据权利要求8所述的一种光学运动捕捉方法，其特征在于，在确定目标的运动轨迹之后，所述方法还包括：

根据所述目标图像和所述运动轨迹，确定所述目标的三维模型。

10.根据权利要求8所述的一种光学运动捕捉方法，其特征在于，所述目标图像的确定，包括：

所述目标和所述目标上标志被照亮的时间等于所述脉冲激光光源的脉宽。

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