CN114127617A - 用于具有高精度和实时对象跟踪的3d姿态测量的系统和方法 - Google Patents

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CN114127617A CN202080051135.4A CN202080051135A CN114127617A CN 114127617 A CN114127617 A CN 114127617A CN 202080051135 A CN202080051135 A CN 202080051135A CN 114127617 A CN114127617 A CN 114127617A
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Abstract

一个实施例可以提供一种包括一个或多个立体视觉模块的机器视觉系统。相应的立体视觉模块可以包括结构化的光投影仪、定位在结构化的光投影仪的第一侧的第一相机和定位在结构化的光投影仪的第二侧的第二相机。第一相机和第二相机被配置为在结构化的光投影仪的照射下捕获对象的图像。结构化的光投影仪可以包括基于激光的光源和被配置为减少由基于激光的光源引起的散斑的光学调制器。

Description

用于具有高精度和实时对象跟踪的3D姿态测量的系统和方法
发明人：MingDu Kang、Kai C.Yung、Wing Tsui和Zheng Xu
技术领域
本公开一般而言涉及机器视觉系统。更具体而言，本公开涉及能够以高精度和实时对象跟踪执行三维(3D)姿态测量的机器视觉系统。
背景技术
计算机视觉是人工智能(AI)的一个领域，它训练计算机解释和理解视觉世界。使用来自相机和视频的数字图像并应用深度学习模型，机器可以准确地识别和定位对象。工业自动化和机器人辅助制造越来越多地使用此类技术来提高其工厂吞吐量和灵活性，以高效地响应客户的需求和愿望，并最大限度地提高产量。高清相机可以检测到人眼无法检测到的细节，并且快速的计算机处理器可以与人脑一样快地解释图像并执行各种复杂的检查和组装任务(例如，对象识别、微米级裂纹检测、表面缺陷检测等)，但具有高得多的可重复性和准确性。
随着AI和机器学习算法的快速进步，该行业正朝着两个关键方向推进：一个是训练或教授机器人，另一个是开发一种更快的方法来生成对象的3D模型而不牺牲测量分辨率。当机器人处理3D不规则和柔性对象，其中6自由度(6DOF)的准确获取和对对象运动的快速响应至关重要时，尤其需要第二种方法。
发明内容
一个实施例可以提供一种包括一个或多个立体视觉模块的机器视觉系统。相应的立体视觉模块可以包括结构化的光投影仪、定位在结构化的光投影仪的第一侧的第一相机，以及定位在结构化的光投影仪的第二侧的第二相机。第一相机和第二相机被配置为在结构化的光投影仪的照射下捕获对象的图像。结构化的光投影仪可以包括基于激光的光源和被配置为减少由基于激光的光源引起的散斑的光学调制器。
在该实施例的变型中，光学调制器可以包括旋转漫射器盘。
在进一步的变型中，光学调制器还可以包括直的或弯曲的光隧道。
在进一步的变型中，光学漫射器可以包括以不同速度沿着相反方向旋转的两个漫射器盘。
在进一步的变型中，两个漫射器盘的旋转速度可以被彼此独立地控制。
在进一步的变型中，旋转漫射器盘由无刷直流(BLDC)马达驱动。
在该实施例的变型中，基于激光的光源可以被配置为发射多模、多波长激光束。
在该实施例的变型中，机器视觉系统还可以包括支撑框架以安装一个或多个立体视觉模块。支撑框架可以包括至少一个弧形槽，使得安装在弧形槽上的第一立体视觉模块和第二立体视觉模块在捕捉对象的图像时具有相同的观看距离但不同的视角。
在进一步的变型中，安装在弧形槽上的第一立体视觉模块和第二立体视觉模块的第一相机和第二相机的光轴被配置为会聚在单个点。
在进一步的变型中，第一立体视觉模块和第二立体视觉模块串联操作，其中第一立体视觉模块作为主模块操作，并且第二立体视觉模块作为从模块操作。
在进一步的变型中，当作为从模块操作时，第二立体视觉模块被配置为：关闭第二立体视觉模块的结构化的光投影仪，并且将第二立体视觉模块的第一相机和第二相机与第一立体视觉模块的结构化的光投影仪同步。
在该实施例的变型中，结构化的光投影仪可以包括：用于反射由基于激光的光源输出并由光学调制器调制的激光束的数字微镜设备(DMD)，以及用于扩展由DMD反射的激光束同时维持束的平行度的双远心透镜。
在该实施例的变型中，相应的立体视觉模块还包括图像采集和处理模块，该图像采集和处理模块包括集成到同一印刷电路板(PCB)上的处理器和多个图像采集单元。
在进一步的变型中，图像采集和处理模块可以包括：被配置为促进高速数据向处理器的传送的图像传感器接口，以及被配置为促进处理器和主机计算机之间的高速通信的处理器接口。
在进一步的变型中，图像传感器接口和处理器接口是外围部件互连快速(PCIe)接口。
一个实施例可以提供一种用于3D成像系统的结构化的光投影仪。结构化的光投影仪可以包括基于激光的光源、被配置为减少由基于激光的光源引起的散斑的光学调制器、用于反射由基于激光的光源输出并由光学调制器调制的激光束的数字微镜设备(DMD)，以及用于扩展由DMD反射的激光束同时维持激光束的平行度的双远心透镜。
附图说明
图1A图示了根据一个实施例的示例性3D智能视觉模块的透视图。
图1B图示了根据一个实施例的示例性3D智能视觉模块100的前视图。
图2A图示了根据一个实施例的示例性结构化的光投影仪的侧视图。
图2B图示了根据一个实施例的示出结构化的光投影仪内的各种光学部件的简化图。
图3A图示了根据一个实施例的激光束路径中的两个漫射器的放大图。
图3B图示了根据一个实施例的重叠漫射器盘的俯视图。
图3C图示了根据一个实施例的示例性漫射器盘的俯视图。
图4图示了根据一个实施例的双相机对的示例性布置。
图5图示了根据一个实施例的示例性机器视觉系统。
图6图示了根据一个实施例的包括智能视觉模块集群的示例性机器视觉系统的俯视图。
图7图示了根据一个实施例的示例性图像采集和处理模块。
图8图示了根据一个实施例的示例性3D机器视觉系统的框图。
图9图示了根据一个实施例的促进3D机器视觉系统的示例性计算机和通信系统。
在各图中，相同的附图标记指代相同的图元素。
具体实施方式
给出以下描述以使本领域技术人员能够制作和使用这些实施例，并且以下描述是在特定应用及其要求的上下文中提供的。对所公开的实施例的各种修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其它实施例和应用。因此，本发明不限于所示的实施例，而是符合与本文公开的原理和特征一致的最宽范围。
概述
本文描述的实施例解决了在实时3D操作空间中提供对象的高精度3D姿态测量和跟踪的技术问题。更具体而言，所公开的实施例提供了一种智能视觉系统，该系统使用具有激光结构光图案的高帧率图像传感器来生成表示被跟踪对象的高分辨率点云。智能视觉系统包括带有单波长或多波长激光源的光学投影单元，以解决各种表面材料的吸收或反射光谱问题并实现最佳图像质量。智能视觉系统还包括与激光束一致的光学调制器，以最大限度地减少或消除来自激光源的散斑效应。智能视觉系统还包括双远心投影透镜系统，以允许随着深度的变化保持恒定的放大倍数，并在对象上实现非常低到接近零的投影图案失真，并改善投影图案的景深(DOF)。为了最大限度地减少镜面反射和对象遮挡，智能视觉系统可以包括位于多个位置的多个图像传感器，它们的光轴会聚到与光学投影单元的光轴相交的公共点。
3D智能视觉模块
图1A图示了根据一个实施例的示例性3D智能视觉模块的透视图。智能视觉模块100可以包括结构化的光投影仪102、包括左立体相机104和右立体相机106的立体相机对，以及一对聚光灯112和114。图1A还示出了智能视觉模块100的视场(FOV)108。
图1B图示了根据一个实施例的示例性3D智能视觉模块100的前视图。图1B更清楚地示出了结构化的光投影仪102、左立体相机104和右立体相机106以及聚光灯112和114之间的相对位置。图1B还示出了位于左立体相机104和右立体相机106之间的图像采集和处理板110。
结构化的光投影仪102可以负责将结构化的光投影到要捕获其图像的场景上。结构化的光照射已被广泛用于获得关于对象的3D信息。术语“结构化的光”是指具有专门设计的、空间变化强度图案的场景的主动照射。图像传感器(例如，相机)在结构化的光照射下获取场景的二维图像。如果场景是没有任何3D表面变化的平面表面，那么获取的图像中显示的图案与投影结构化的光图案的图案相似。但是，当场景中的表面是非平面时，表面的几何形状会扭曲如从相机看到的投影结构化的光图案。结构化的光3D表面成像技术的原理是基于来自投影结构化的光图案的扭曲的信息提取3D表面形状。可以通过使用各种结构化的光原理和算法计算场景中对象的准确3D表面轮廓。
在一些实施例中，结构化的光投影仪102可以包括数字光处理(DLP)投影仪，其可以提供高帧率和高分辨率。DLP投影仪可以包括数字微镜设备(DMD)来编码投影模式。典型的DLP投影仪可以包括光源、用于提供图案的DMD，以及用于扩展和引导光束的光学透镜/反射镜系统。
常规的结构化的光投影仪通常使用发光二极管(LED)作为光源，其通常提供小于每平方厘米1毫瓦的光强度(例如，0.2mw/cm2)。低光强度通常会导致曝光时间延长，从而导致相机帧速率更慢。为了增加光强度，在一些实施例中，可以使用激光器作为结构化的光投影仪的光源。与LED相比，激光器可以提供高得多的亮度和方向性，并且可以最大限度地减少激光束通过投影仪的光学系统时的光学损失。因此，可以在对象上投影高强度图案，并且可以显著缩短曝光时间。
由激光源提供的更高强度还可以确保结构化的光图案可以具有高对比度(例如，在黑色和白色条纹之间)。这种具有更好信噪比的更清晰图像可以与更短的曝光时间相关联，从而导致更快的图像捕获速度。此外，在一些实施例中，结构化的光照射系统中使用的激光源可以发射多种波长的光。例如，激光源可以顺序地改变发射光的波长。由于不同材料表面对特定波长的光反射不同，因此激光波长的顺序变化使智能视觉模块能够从背景场景中描绘出对象。
当对象被激光照射时，对象固有的粗糙表面会导致反向散射光产生散斑图案，该图案可以包括亮区和暗区。散斑效应会对智能视觉系统捕获的图像产生令人反感的噪声信号。多模激光器的相干长度比单模激光器短，并且可以稍微减少散斑效应。为了使散斑最小化，在一些实施例中，结构化的光投影仪可以包括可以破坏激光的相干性的光学调制器，从而减少散斑。为了破坏空间相干性，光学调制器被设计为随机扭曲或调制激光束的波前，以形成具有短相干长度的高亮度定向束。在一个实施例中，在光学调制器中采用光学漫射器，并在漫射器上引入随机表面粗糙度以破坏空间相干性。表面粗糙度可以是传入激光束波长的数量级。更具体而言，光学漫射器可以是旋转的(例如，旋转漫射器盘)，角速度高达20,000RPM。为了进一步增加光学漫射器的随机性，在一些实施例中，光学漫射器包括两个沿着相反方向旋转的重叠盘，两个旋转盘之间的间隙最小化以避免激光束发散。在进一步的实施例中，可以独立地控制两个盘的旋转速度。
除了表面粗糙度之外，光学漫射器可以包括沉积在玻璃表面上的随机化纳米结构以破坏空间相干性。例如，尺寸范围从100nm到10μm的氧化钛颗粒可以沉积在玻璃表面上以形成光学漫射器。在另一个实施例中，旋转盘的光学特性可以在径向和切线方向上变化。例如，盘可以分成多个扇区。每个扇区具有不同的光学特性。当盘高速旋转时，激光光斑扫描那些具有不同光学特性的不同扇区，这相当于激光束穿过所有这些不同的漫射器。每个扇区的贡献与每个扇区的弧长成比例，并且总效应等于所有扇区的透射率与弧长的乘积之和。随着盘被分成更多不同粗糙度的扇区，波前变得更随机，并且激光束的相干长度减小。最终，激光束的相干长度减小到小于被照射对象的表面粗糙度，并且散斑可以被消除。
图2A图示了根据一个实施例的示例性结构化的光投影仪的侧视图。结构化的光投影仪200可以包括包围各种光学部件的主框架202、激光模块204、光学漫射器206、DMD 208、扩束和引导模块210和投影仪透镜212。
图2B图示了根据一个实施例的示出结构化的光投影仪内的各种光学部件的简化图。结构化的光投影仪220可以包括激光和准直器模块222、光学漫射器盘224、DMD 226、棱镜228和扩束器230。
激光器和准直器模块222可以包括激光器和准直器，其将激光器发射的光转换成平行光束。激光器可以是多模激光器。在一些实施例中，激光器可以具有可调波长。在替代实施例中，激光和准直器模块222可以包括多个激光器以生成多波长光。为了减小尺寸和功耗，激光器和准直器模块222可以包括一个或多个二极管激光器(例如，GaN激光器)。准直器可以是聚光透镜。
漫射器盘224可以包括全息漫射器，其中表面纹理被精确控制以在维持预定义发散角的同时实现最大随机性。在一些实施例中，漫射器出口侧的发散角可以在0.5°和10°之间的范围内。当激光束通过这个随机纹理化表面时，波前会因散射而破裂，并且相干长度减少。因此，在捕获的图像中减少甚至消除了散斑。阴影区域指示激光束在特定时刻与漫射器盘224相互作用的位置。阴影区域中随机蚀刻的纹理导致相干激光束的随机散射，并且漫射器盘的自旋确保激光束与动态变化的散射图案(即，激光束在盘上被不同的微结构散射的每个实例)相互作用。在一些实施例中，漫射器盘224可以以非常高的RPM(例如，从几百RPM到几千RPM)旋转。这引入了与时间相关的波前失真或随机化，其中捕获的图像是许多随机失真的波前的叠加，因此可以有效地平均掉图像中的散斑。漫射器盘224上的随机蚀刻纹理可以被设计为确保激光束的发散角窄。
图2B还示出，在离开漫射器盘224时，激光束立即进入用作光隧道的玻璃棒234，其也可以被认为是用于波前扭曲的光学调制器的一部分。更具体而言，激光束的波前经由光隧道中的许多全内反射进一步随机化。在一个实施例中，光隧道的纵横比可以为至少14。代替图2B中所示的直玻璃棒234，光隧道也可以是曲线形的(例如，S形)。可以控制曲率的最小半径以维持全内反射。在替代实施例中，光隧道也可以是一束光纤。
机械稳定性对于相机系统可能非常重要，因为振动会导致所捕获图像的模糊。在一些实施例中，漫射器盘224的旋转可以由多极无刷直流(BLDC)马达232驱动。与其它类型的马达(例如，有刷DC马达或感应马达)相比，BLDC马达效率高、尺寸小、噪音低，并且可以具有更高的速度范围。为了最小化振动，多极BLDC马达232可以安装在流体动力轴承(FDB)上。在一个实施例中，BLDC马达232可以被设计为小而平的，如图2B中所示。马达的小尺寸和稳定性使得可以将漫射器盘224定位为非常靠近(例如，小于一厘米)激光和准直器模块222，从而使激光束的发散角最小化并且使损耗最小化。这种设计还允许漫射器盘224以低噪音和最小的摆动自旋，并增加轴承的寿命。
为了进一步减少散斑效应，在一些实施例中，漫射模块可以包括多个(例如，两个)自旋漫射器盘，每个漫射器盘类似于图2B中所示的漫射器盘224。
图3A示出了根据一个实施例的激光束路径中的两个漫射器的放大图。在图3A中，漫射器盘302耦合到旋转马达304并由其驱动，并且漫射器盘306耦合到旋转马达308并由其驱动。漫射器盘302和306彼此部分重叠，并且从准直器310出来的准直激光束在到达其它光学部件之前穿过漫射器盘302和306的重叠部分。
图3B示出了根据一个实施例的重叠漫射器盘的俯视图。更具体而言，图3B清楚地示出了漫射器盘302和306的边缘彼此部分重叠。激光束击中并穿过漫射器盘302和306的重叠区域，然后在每条路径上继续。
漫射器盘上随机蚀刻的图案散射激光。漫射器盘的高速旋转会导致许多不相关的(由于散射图案的随机性)散斑在所捕获的帧内被平均化，从而减轻散斑效应。此外，两个漫射器盘可以以不同的速度在不同的方向旋转。例如，漫射器盘302能够以500RPM的速度顺时针旋转，而漫射器盘306能够以600RPM的速度逆时针旋转。其它组合也是可能的。例如，漫射器盘302能够以5000RPM的速度逆时针旋转，而漫射器盘306能够以4000RPM的速度顺时针旋转。两个盘都可以以高达20,000RPM的速度旋转。替代地，一个漫射器盘可以保持静止而另一个旋转。通过相互独立地控制盘的旋转速度，可以降低激光束击中来自两个盘的类似散射图案组合的可能性。在进一步的实施例中，盘的旋转速度也可以是随时间变化的。除了图3B中所示的两个漫射器盘之外，还可以部署多个(例如，多于两个)盘，其中多个盘以不同速度在不同的方向旋转。多个盘的旋转速度也可以独立控制。
图3C示出了根据一个实施例的示例性漫射器盘的俯视图。在这个示例中，漫射器盘320沿着径向方向和切线方向被分成24个扇区。每个扇区具有不同的光学特性(例如，不同的表面粗糙度参数Ra或不同的折射率)。注意的是，光学特性可以是使相干光束的波前失真的任何特性。当盘高速旋转时，如箭头所示，激光束点322扫描通过具有不同光学特性的那些不同扇区。总散射效应减少了激光束的相干长度。返回到图2B，在激光束穿过漫射器盘224之后，它到达棱镜228，棱镜228改变平行激光束的方向，从而导致激光束的一部分被DMD226反射。
DMD 226是双稳态空间光学调制器。在一些实施例中，DMD226可以包括功能上安装在CMOS存储单元之上的可移动微镜的二维(2D)阵列(例如，1280x720阵列)。通过将数据加载到CMOS存储器单元以控制反射光，将视频数据的像素空间映射到显示器上的像素，可以独立地控制每个反射镜。因此，通过切换每个单独微镜的倾斜方向，可以创建亮(或白色)和暗(或黑色)像素的图案。除了其中投影光图案包括黑白条纹的二进制编码方案之外，其它编码方案也是可能的。例如，代替阶跃函数(其导致黑白条纹)，照射图案的强度可以是正弦函数。除了条纹之外，其它编码图案，诸如点阵或网格，也可以用作结构化的光用于照射。
扩束器230可以用于扩展平行光束的尺寸。扩展光束可以减小发散角，从而增加DLP投影仪的景深(DOF)。可以使用各种类型的扩束器来增加平行光束的尺寸，包括但不限于：开普勒扩束器、伽利略扩束器和双远心透镜系统。在一些实施例中，扩束器230可以包括双远心透镜系统，其可以在很少或没有失真和发散的情况下扩展光束。
双远心透镜系统230可以在聚焦区内的不同深度处在投影屏幕上提供恒定的放大倍数。注意的是，即使相机和投影光学单元经过校准，但由于不同的透镜放大倍数，非远心方法也会导致在不同DOF下测量图像的分辨率不同。远心透镜系统可以改善这种现象，并在深度变化时提供非常低或接近零的投影图案失真。由于零投影角，它还可以改善投影场的深度。
返回到图1A和图1B，左立体相机104和右立体相机106位于结构化的光投影仪102的光轴的任一侧。在一个实施例中，这些相机可以用于生成3D点云模型以及执行二维(2D)宽视场部分扫描和对象检测。左和右相机104和106相对于结构化的光投影仪102发射的投影光束以限定的倾斜角安装。
注意的是，在结构化的光的照射下，一个相机从特定角度获得3D视图，而另一侧可能被遮挡。通过使用双相机(例如，左右相机104和106)并组合来自两个相机的3D信息，可以获得更完整的3D信息(即，对象点云的完整性)。此外，双相机可以提供减少镜面反射量的好处，这是一种被描述为镜状反射的表面反射。此类反射会导致过度曝光(例如，镜面高光)并且通常是非期望的。当两个独立的相机位于结构化的光投影仪的相对侧时，如图1A-图1B中所示，可以减少镜面反射。由于镜面反射具有高方向性，反射到一个相机的镜面光不太可能到达另一个相机。因此，与在一个相机中引起镜面反射的区域相关联的信息可以被另一个相机捕获。例如，其中读出由于镜面反射而饱和的一个相机的输出图像可以通过另一个相机的输出图像进行补偿。当来自两个相机的数据被组合时，可以构建没有镜面高光的完整场景图像。可以使用类似的原理来最小化遮挡。
在一些实施例中，3D智能视觉模块可以包括多个双相机对，其可以以不同的准确度和视场(FOV)创建3D视觉。在图1A和图1B中所示的示例中，3D智能视觉模块100包括两个双相机对，一对包括相机104和106(称为内部对，并且可以添加附加的相机对。相机106和106外部的相机对可以被称为外部对。
在一些实施例中，外部相机对在由结构化的光投影仪102投影的结构化的光的照射下捕获图像，并且可以形成准确度低至几微米的3D视觉。另一方面，内部相机对在正常照射(即，没有结构化的光)下捕获图像，并且可以以非常高的速度和合理的准确度在大区域内形成3D视觉。
在一个实施例中，内部相机对可以具有比外部相机对更大的FOV。例如，内部相机对的FOV的每个维度可以是几百毫米(例如，150x100 mm2)，而外部相机对的FOV的维度可以是几十毫米(例如，150x40 mm2)。两个相机对提供的不同FOV和分辨率提供了操作灵活性。例如，内部相机对可以用于扫描更大的区域以识别部件，而外部相机对可以用于放大以捕获单个部件的更详细图像。
除了图1A和图1B中所示的布置之外，多个双相机对可以以其它方式布置。图4图示了根据一个实施例的双相机对的示例性布置。更具体而言，图4示出了具有两种不同方式来布置其相机的智能视觉模块400的俯视图。智能视觉模块400可以包括以类似于图1A和图1B中所示的方式布置的双相机对402。替代地，智能视觉模块400可以包括双相机对404，其通过将双相机对402围绕投影仪406旋转90°来布置。其它角度(例如，30°、45°、60°等)也是可能的。
在一个实施例中，智能视觉模块400可以包括双相机对402和404，其中两个相机对以与投影仪406同步的方式操作(意味着对于由投影仪406投影的每个结构化的光图案，两个相机对捕获一个或多个图像)。以这种方式，可以形成没有遮挡的完整点云。
为了进一步扩展机器视觉系统的容量，在一些实施例中，机器视觉系统可以包括多个(例如，两个或四个)智能视觉模块，这些模块可以被配置为以交替的方式捕获图像。更具体而言，多个智能视觉模块可以相对于对象具有不同的视角，从而允许从多个角度测量对象的3D信息并最小化光学遮挡。在一个智能视觉模块的视野之外的某些对象特征可以被另一个智能视觉模块看到。
图5图示了根据一个实施例的示例性机器视觉系统。机器视觉系统500可以包括用于支撑多个智能视觉模块的支撑框架502。在图5中所示的示例中，支撑框架502可以包括弧形槽504，多个智能视觉模块(例如，模块506和508)安装在该弧形槽504上。槽504的弧形形状(即，作为圆的一部分)确保不同模块的观看距离(即，相机与被观察对象之间的距离)基本相同，假设对象位于圆的中心附近。如图5中所示，智能视觉模块506和508可以共享位于圆的中心附近的相同FOV 510。此外，弧形槽504还允许智能视觉模块通过沿着槽504滑动来改变其视角，同时其观看距离保持不变。
在图5中所示的示例中，每个智能视觉模块可以是包括类似于图1A和1B中所示的相机104和106的两个相机的双相机模块。每个智能视觉模块的两个相机可以对齐，使得相机平面(即，两个相机的光轴定义的平面)和投影平面(即，当投影仪沿着槽504移动时，投影仪的光轴定义的平面)彼此垂直。事实上，图5示出了机器视觉系统500的前视图，其中投影平面是纸平面，以及连接进出纸平面的两个相机的线。智能视觉模块506和508的所有四个相机的光轴会聚在单个点(即，基本上在圆的中心的点)。类似地，两个智能视觉模块的两个投影仪的光轴也可以汇聚在同一点。
包括具有不同视角的多个智能视觉模块的能力以及在不改变FOV的情况下调整视觉模块的视角的能力可以为机器视觉系统提供捕获不同类型对象的图像的更大灵活性。一些类型的对象可以从上向下查看，而一些类型的对象可以在宽视角下查看。例如，为了看到凹陷区域的内部结构，可能想要沿着凹陷以一定角度观看具有深凹陷的对象。因此，取决于对象在工作表面上的定位方式，可以调整智能模块的倾斜角度，以允许相机以最小的遮挡捕获凹陷区域的图像。
在一些实施例中，多个(例如，两个)智能视觉模块可以独立地操作。例如，智能视觉模块可以以交替方式打开，其中每个相机对在来自对应投影仪的结构化的光的照射下捕获图像。可以组合来自两个视觉模块的3D图像以生成观察对象的最终图像。
替代地，多个(例如，两个)智能视觉模块可以串联操作，其中一个视觉模块是主模块而其它视觉模块是从模块。在一个示例中，智能视觉模块506可以作为主模块操作，而智能视觉模块508可以作为从模块操作。更具体而言，智能视觉模块506的结构化的光投影仪被调谐以将结构化图案投影到对象上并且视觉模块508的结构化的光投影仪被关闭。所有四个相机(即，两个视觉模块的四个相机)都与主视觉模块506的投影仪同步，以在某些结构化的光图案的照射下捕获图像序列。通过交替主从组合，可以从四个不同角度观看的四个相机获得多达八个点云。通过这些点云的叠加，可以最小化遮挡和镜面反射。
每个智能视觉模块可以配备处理器，该处理器被配置为控制投影仪和相机的操作以及处理由双相机捕获的图像。更具体而言，处理器可以基于投影的结构化的光图案从捕获的图像中提取3D信息(例如，生成对象的3D点云)。在一些实施例中，视觉模块的处理器可以串联操作，其中一个处理器在主模式下操作而另一个处理器在从模式下操作。更特别地，主处理器控制主视觉模块内的激光器、DMD和相机的各种控制器的操作。另外，主处理器可以向从处理器发送同步的控制信号，从而促进从处理器控制从视觉模块的相机的操作，使得其与主视觉模块的相机同步。更具体而言，相机控制器(即，控制相机采集时序的控制单元)可以从处理器接收时序输入，从而提供将各个双相机对的捕获触发时序的延迟与多个结构化的光投影模块同步的灵活性。这允许同时从多个视图中在结构化的光图案的照射下进行采集图像，从而使得可以重建对象的具有最小化遮挡的完整3D表示。
除了图5中所示的其中多个智能视觉模块的投影仪定位在同一平面上的示例之外，还可以具有定位在不同平面上的智能视觉模块集群。例如，支撑框架可以具有多个拦截拱，每个拱具有安装在拱上的多个视觉模块。替代地，支撑框架可以包括圆顶结构，其中每个视觉模块安装在圆顶顶部上的特定位置。
图6图示了根据一个实施例的包括智能视觉模块集群的示例性机器视觉系统的俯视图。在图6中，机器视觉系统600可以包括四个智能视觉模块，模块602、604、606和608。每个视觉模块可以类似于图1A和图1B中所示的模块。类似于图5中所示的机器视觉系统，机器视觉系统600中的不同视觉模块可以彼此独立或串联操作。附加的视觉模块可以提供附加的查看选项，使得更容易重建对象的完整3D表示(例如，3D点云)。此外，将视觉模块定位在任何期望位置以具有任何视角的能力还可以提供六个自由度(6DOF)。
如前所述，每个智能视觉模块可以包括处理器，该处理器可以封装在相机的相同物理外壳内，如图1B中所示。这种板载处理器通过板级集成相机的所有数据采集模块使得能够进行边缘计算。在图1B中所示的示例中，图像采集和处理板110可以将处理器和图像采集集成到单个印刷电路板(PCB)上，并且它可以包含在容纳投影仪和相机的同一物理外壳中。这种集成板可以在图像捕获和处理方面提供高数据吞吐量。将实时3D图像采集和处理模块集成到同一单元中可以显著减少延迟，并且还可以使单元便携并提供与许多机器人系统和/或其它运输车辆集成的灵活性。注意的是，减少延迟是确保实时3D对象跟踪的重要因素。
图7图示了根据一个实施例的示例性图像采集和处理模块。图像采集和处理模块700可以包括板载处理器702和两个单独的图像采集单元704和706。每个图像采集单元可以包括专用集成电路(ASIC)芯片。处理器702和图像采集单元704和706可以安装在单个板上，该板可以是定制设计的或标准的CPU板。在一些实施例中，图像采集和处理模块700还可以包括可以在图像采集单元704和706之间共享的存储器(图7中未示出)。存储器可以存储可以加载到处理器702中以促进处理器702执行计算(例如，图像处理)的指令。也可以将相机捕获的图像临时存储在存储器中。
图像采集和处理模块700还可以包括多个高速接口，诸如图像传感器接口708和710以及处理器接口712。图像传感器接口708和710分别使图像采集单元704和706能够与两个相机接口。更具体而言，由相机捕捉的图像分别经由图像传感器接口708和710被传输到图像采集单元704和706。最后，图像数据以高速传送到处理器702进行处理。类似地，可以经由图像传感器接口708和710将控制相机的操作(例如，图像的捕获、快门速度、焦距等)的控制信号发送到相机。
另一方面，处理器接口712允许处理器702与主机计算机接口。例如，处理器702生成的图像处理结果可以被发送到主机计算机。主机计算机可以组合来自多个不同处理器(例如，属于不同视觉模块的不同处理器)的图像处理器结果，以构建被观察对象的完整3D图像(例如，3D点云)。
在一些实施例中，各种接口可以是高速数据接口，诸如外围部件互连快速(PCIe)接口。在一个实施例中，图像传感器接口708和710可以各自以大约2.8Gbps的速度运行，并且处理器接口712可以以大约5.6Gbps的速度运行。如此高的数据通信速度对于确保整个机器视觉系统的操作速度是重要的。
图8示出了根据一个实施例的示例性3D机器视觉系统的框图。3D机器视觉系统800可以包括主机计算机802、支撑结构804和与主机计算机802通信并安装在支撑结构804上的多个智能视觉模块(例如，视觉模块810和820)。
多个视觉模块可以各自是独立模块，并且可以被配置为彼此独立地或串联操作。智能视觉模块810可以包括相机对812、结构化的光投影仪814、主控制器模块816和辅助控制器模块818。类似地，智能视觉模块820可以包括相机对822、结构化的光投影仪824、主控制器模块826和辅助控制器模块828。
每个相机对可以包括两个具有高数据速度(例如，大于Gbps)、高分辨率(例如，大于2.8M像素)和高帧速率(例如，400帧/每秒或更高)的相机。即使未打开结构化的光投影仪，相机对也可以提供立体视觉。这可以实现更快的对象识别和跟踪，而基于结构化的光的图像捕获可以以更高分辨率提供3D图像。在一些实施例中，每个智能视觉模块还可以包括能够以不同分辨率提供图像的多个相机对。
每个结构化的光投影仪可以包括激光和准直器模块、光学调制器(其可以包括漫射器和光隧道)、DMD、棱镜和扩束器。在一些实施例中，光学调制器可以包括以不同速度在相反方向旋转的两个部分重叠的漫射器盘。每个漫射器盘都可以由使用FDB安装的BLDC马达驱动，从而使漫射器盘能够以低噪音和最小摆动自旋。蚀刻在漫射器盘上的随机图案可以被设计为确保发散角窄(例如，在0.5°和10°之间)。在激光束的路径中加入光学漫射器盘可以消除激光散斑并提高结构化的光图案的均匀性。
每个主控制器模块可以类似于图7中所示的图像采集和处理模块700。更具体而言，每个主控制器模块可以包括处理器、存储器和多个图像采集单元，每个图像采集单元与相机接口。处理器可以用于处理使用各种数字图像处理技术(诸如滤波、应用各种结构化的光算法等)的相机的图像传感器提供的数据。处理器还可以组合来自不同相机的数据以消除由每个单个相机捕获的镜面反射。处理器还可以使用图像数据为正在观察的对象生成3D点云。取决于图像数据的分辨率，可以生成低分辨率或高分辨率3D点云。每个视觉模块的主控制器模块可以封装在与容纳视觉模块的相机和投影仪同一物理外壳中，从而提供视觉模块的便携性，同时减少数据延迟。
每个辅助控制器模块可以包括用于对应智能视觉系统中的其它部件的控制器，诸如用于控制结构化的光投影仪内的激光(例如，发射波长和强度)的激光控制器、用于控制DMD(例如，图案和帧速率)的DMD控制器，以及用于控制漫射器盘的自旋(例如，方向和速度)的漫射器控制器。更具体而言，激光控制器可以基于被观察对象的表面状况来控制激光的发射波长和强度。DMD可以被配置为使得投影仪可以将不同的图案(例如，点阵列、平行线、网格等)投影到对象上。DMD帧速率可以是每秒10-20帧，或更高。漫射器控制器可以以这样的方式配置，即漫射器模块中的两个漫射器盘以相反方向以高RPM(例如，数百或数千RPM)自旋。辅助控制器模块内的各种控制器也可以集成到PCB上。
图9图示了根据一个实施例的促进3D机器视觉系统的示例性计算机和通信系统。计算机和通信系统902包括处理器904、存储器906和存储设备908。存储设备908存储可以用于促进3D机器视觉系统的操作的各种应用，诸如机器视觉应用910，以及其它应用，诸如应用912和914。在操作期间，机器视觉应用910可以从存储设备908加载到存储器906中，然后由处理器904执行。在执行程序时，处理器904执行上述功能。计算机和通信系统902耦合到可选的显示器916、键盘918和定点设备920。
一般而言，本申请的实施例可以提供可以用于促进机器人系统的操作的3D机器视觉系统。3D机器视觉系统可以包括基于DMD的结构化的光投影系统，该系统使用高功率、多模、多波长激光模块作为光源。结构化的光投影系统还可以包括具有窄发散角的光学漫射器，以减少或消除散斑。光学漫射器可以包括两个低噪声、高RPM、无振动的由使用FDB安装的BLDC马达驱动的旋转盘。BLDC马达的紧凑尺寸和稳定性使得漫射器盘可以非常靠近激光源定位，从而进一步减少光束发散。结构化的光投影系统使用高分辨率双远心透镜系统来扩展激光束和DMD以生成高分辨率结构化的光图案。这种结构化的光图案可以包括数字化图案(例如，二进制图案)或光强度逐渐变化的模拟图案。此外，所公开的实施例提供具有高数据速度(例如，大于2.8Gbps)、高帧率(例如，大于400帧每秒)和高分辨率(例如，大于2.8M像素)以实时生成高分辨率3D点云，用于六自由度(6DOF)3D对象识别、3D跟踪和定位的多个相机的板级集成。通过将处理器和图像采集模块集成到同一板上，所公开的实施例最小化数据处理和传送中的时延。
在具体实施方式部分中描述的方法和处理可以被实施为可以存储在如上所述的计算机可读存储介质中的代码和/或数据。当计算机系统读取和执行存储在计算机可读存储介质上的代码和/或数据时，计算机系统执行实施为数据结构和代码并存储在计算机可读存储介质中的方法和处理。
此外，上述方法和处理可以包括在硬件模块或装置中。硬件模块或装置可以包括但不限于专用集成电路(ASIC)芯片、现场可编程门阵列(FPGA)、在特定时间执行特定软件模块或一段代码的专用或共享处理器，以及现在已知或以后开发的其它可编程逻辑设备。当硬件模块或装置被激活时，它们执行包含在其中的方法和处理。
本发明的实施例的前述描述仅为了说明和描述的目的而呈现。它们并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的形式。因此，许多修改和变型对于本领域技术人员来说将是显而易见的。此外，以上公开并非旨在限制本发明。本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (22)

1.一种机器视觉系统，包括一个或多个立体视觉模块，其中相应的立体视觉模块包括：
结构化的光投影仪；
定位在所述结构化的光投影仪的第一侧的第一相机；以及
定位在所述结构化的光投影仪的第二侧的第二相机，其中所述第一相机和所述第二相机被配置为在所述结构化的光投影仪的照射下捕获对象的图像；以及
其中所述结构化的光投影仪包括基于激光的光源和被配置为减少由所述基于激光的光源引起的散斑的光学调制器。
2.如权利要求1所述的机器视觉系统，其中所述光学调制器包括旋转漫射器盘。
3.如权利要求2所述的机器视觉系统，其中所述光学调制器还包括直的或弯曲的光隧道。
4.如权利要求2所述的机器视觉系统，其中所述光学调制器包括在相反方向以不同速度旋转的两个漫射器盘。
5.如权利要求4所述的机器视觉系统，其中所述两个漫射器盘的旋转速度被彼此独立地控制。
6.如权利要求2所述的机器视觉系统，其中所述旋转漫射器盘由无刷直流(BLDC)马达驱动。
7.如权利要求1所述的机器视觉系统，其中所述基于激光的光源被配置为发射多模、多波长激光束。
8.如权利要求1所述的机器视觉系统，还包括用于安装所述一个或多个立体视觉模块的支撑框架，其中所述支撑框架包括至少一个弧形槽，使得安装在弧形槽上的第一立体视觉模块和第二立体视觉模块在捕获所述对象的图像时具有相同的视距但不同的视角。
9.如权利要求8所述的机器视觉系统，其中安装在弧形槽上的第一立体视觉模块和第二立体视觉模块的第一相机和第二相机的光轴被配置为会聚在单个点处。
10.如权利要求8所述的机器视觉系统，其中所述第一立体视觉模块和所述第二立体视觉模块串联操作，其中所述第一立体视觉模块作为主模块操作，并且所述第二立体视觉模块作为从模块操作。
11.如权利要求10所述的机器视觉系统，其中当作为从模块操作时，所述第二立体视觉模块被配置为：
关闭所述第二立体视觉模块的结构化的光投影仪；以及
使所述第二立体视觉模块的第一相机和第二相机与所述第一立体视觉模块的结构化的光投影仪同步。
12.如权利要求1所述的机器视觉系统，其中所述结构化的光投影仪包括：
用于反射由所述基于激光的光源输出并由所述光学调制器调制的激光束的数字微镜设备(DMD)；以及
用于扩展由DMD反射的激光束同时维持所述激光束的平行度的双远心透镜。
13.如权利要求1所述的机器视觉系统，其中所述相应的立体视觉模块还包括图像和采集处理模块，所述图像采集和处理模块包括集成在同一印刷电路板(PCB)上的处理器和多个图像采集单元。
14.如权利要求13所述的机器视觉系统，其中所述图像采集和处理模块包括：
图像传感器接口，所述图像传感器接口被配置为促进高速数据向处理器的传送；以及
处理器接口，所述处理器接口被配置为促进所述处理器和主机计算机之间的高速通信。
15.如权利要求14所述的机器视觉系统，其中所述图像传感器接口和所述处理器接口是外围部件互连快速(PCIe)接口。
16.一种用于3D成像系统的结构化的光投影仪，包括：
基于激光的光源；
光学调制器，所述光学调制器被配置为减少由基于激光的光源的相干性引起的散斑；
数字微镜设备(DMD)，所述数字微镜设备(DMD)用于反射由所述基于激光的光源输出并由所述光学调制器调制的激光束；以及
双远心透镜，所述双远心透镜用于扩展由DMD反射的激光束同时维持所述激光束的平行度。
17.如权利要求16所述的结构化的光投影仪，其中所述光学调制器包括旋转漫射器盘。
18.如权利要求17所述的结构化的光投影仪，其中所述光学调制器还包括直的或弯曲的光隧道。
19.如权利要求17所述的结构化的光投影仪，其中所述光学调制器包括以不同速度在相反方向旋转的两个漫射器盘。
20.如权利要求19所述的结构化的光投影仪，其中所述两个漫射器盘的旋转速度被彼此独立地控制。
21.如权利要求17所述的结构化的光投影仪，其中所述旋转漫射器盘由无刷直流(BLDC)马达驱动。
22.如权利要求16所述的结构化的光投影仪，其中所述基于激光的光源被配置为发射多模、多波长激光束。
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