CN115267744A - 飞行时间距离测量方法及测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞行时间距离测量方法及测量装置，所述方法包括：发射脉冲光束；采集被物体反射回的所述脉冲光束中的光子并形成光子信号；根据所述光子信号确定所述光子从被发射到被接收的飞行时间，并生成表征所述飞行时间的时间码；基于所述时间码在相应的时间单元上进行计数，经过多次测量后将所有时间单元内的光子计数进行统计出粗略直方图以及精细直方图；通过分别导出粗略直方图以及精细直方图的象素值并进行组合来确定飞行时间。本发明提供的飞行时间距离测量方法及测量装置通过将表示整体飞行时间直方图的分解为粗略直方图和精细直方图，可以在内存需求上减少一个数量级以上，同时还可以确保整体飞行时间保持不变。

Description

飞行时间距离测量方法及测量装置
技术领域
本发明涉及光学测距领域，尤其涉及一种飞行时间距离测量方法及测量装置。
背景技术
利用飞行时间原理(Time of Flight，ToF)可以对目标进行距离测量，以获取包含目标深度值的深度图像，进一步基于该深度图像可以实现三维重建、人脸识别、人机交互等功能。相关的距离测量系统已被广泛应用于消费电子、无人架驶、AR/VR等领域。基于飞行时间原理的距离测量系统往往都包含一个光束发射器以及采集器，发射器中的光源向目标空间发射光束以提供照明，通过采集器接收由目标反射回的光束，根据光飞行的时间，计算目标物体的距离。
其中，光飞行时间是通过计算光束从发射到接收的时间差进行测量，发射器发射一系列重复的激光脉冲后，脉冲光束经目标物体反射回采集器，采集器接收的回波信号经过直方图电路处理后生成直方图，直方图的波形一般与发射波形较为符合，可以基于直方图采用寻找最大峰位置处的方法来确定激光脉冲的飞行时间。
现有的方式中为使用直方图来累积汇总的光子到达时间，其中光子到达时间被归入数据统计堆。然后，利用收集到的直方图统计数据计算飞行时间。而直方图的大小取决于动态范围（最大距离与飞行时间分辨率之比）和每个直方图单元允许的最大高度。由于每个直方图都由内存表示，内存大小会随着可能动态范围和直方图高度的增加而增加。该尺寸的条件限制了每个直接飞行时间像素的尺寸或飞行时间成像阵列的帧速率。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种飞行时间距离测量方法及测量装置，旨在解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种飞行时间距离测量方法，包括以下步骤：
发射脉冲光束；
采集被物体反射回的所述脉冲光束中的光子并形成光子信号；
根据所述光子信号确定所述光子从被发射到被接收的飞行时间，并生成表征所述飞行时间的时间码；
基于所述时间码在相应的时间单元上进行计数，经过多次测量后将所有时间单元内的光子计数进行统计出粗略直方图以及精细直方图；
通过分别导出粗略直方图以及精细直方图的象素值并进行组合来确定飞行时间。
在一实施例中，所述时间码作为地址寻址所述直方图存储器中的对应存储位置，所述存储位置用于记录寻址所述存储位置的时间码所表征的飞行时间对应的光子计数值，所述存储位置每被寻址一次其所记录的光子计数值加1。
在一实施例中，测量方式为在若干个不连续的时间间隔内采集所述光子并生成光子信号。
在一实施例中，所述若干个不连续的时间间隔为具有等时间间隔的至少三个时间间隔。
在一实施例中，所述若干个不连续的时间间隔为具有不等时间间隔的至少三个时间间隔。
在一实施例中，所述将所有时间单元内的光子计数进行统计出粗略直方图以及精细直方图的步骤包括：
每个光子均同时计数在所述粗略直方图和所述精细直方图上。
在一实施例中，所述粗略直方图的时间分辨率小于所述精细直方图的时间分辨率。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种飞行时间距离测量装置，所述飞行时间距离测量装置包括：
发射器，经配置以发射脉冲光束；
采集器，经配置以采集被物体反射回的所述脉冲光束中的光子并形成光子信号；
处理电路，与所述发射器以及所述采集器连接，对所述光子信号进行处理绘制原始直方图，并基于如上所述的方法处理直方图。
本发明实施例提出的一种飞行时间距离测量方法及测量装置，通过发射脉冲光束；采集被物体反射回的所述脉冲光束中的光子并形成光子信号；根据所述光子信号确定所述光子从被发射到被接收的飞行时间，并生成表征所述飞行时间的时间码；基于所述时间码在相应的时间单元上进行计数，经过多次测量后将所有时间单元内的光子计数进行统计出粗略直方图以及精细直方图；通过分别导出粗略直方图以及精细直方图的象素值并进行组合来确定飞行时间。在本技术方案中，通过将表示整体飞行时间直方图的分解为粗略直方图和精细直方图，可以在内存需求上减少一个数量级以上，同时还可以确保整体飞行时间保持不变。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例距离测量系统的示意图；
图2为本发明飞行时间距离测量方法的流程示意图；
图3为本发明的实施例的直方图的示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1所示是根据本发明一个实施例距离测量系统的示意图。距离测量系统10包括发射器11、采集器12以及处理电路13，处理电路13中可设有直方图存储器；其中发射器11提供发射光束30至目标空间中以照明空间中的物体20，至少部分发射光束30经物体20反射后形成反射光束40，反射光束40的至少部分光信号(光子)被采集器12采集；处理电路13分别与发射器11以及采集器12连接，同步发射器11以及采集器12的触发信号以计算光束由发射器11发出并被采集器12接收所需要的时间，即发射光束30与反射光束40之间的飞行时间t。
发射器11包括光源111、以及光学元件112。光源111可以是发光二极管(LED)、边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)等光源，也可以是多个光源组成的阵列光源；优选地，阵列光源111是在单块半导体基底上生成多个VCSEL光源以形成的VCSEL阵列光源芯片。光源111所发射的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。光源111在处理电路13的控制下向外发射光束，比如在一个实施例中，光源111在处理电路13的控制下以一定的频率(脉冲周期)发射脉冲光束，可以用于直接飞行时间法(Direct TOF)测量中；其中，频率根据测量距离进行设定，比如可以设置成1MHz－100MHz，测量距离在几米至几百米。可以理解的是，可以由处理电路13中的一部分或者独立于处理电路13存在的子电路来控制光源111发射相关的光束，比如脉冲信号发生器。
光学元件112接收来自光源111的脉冲光束，并将脉冲光束进行光学调制，比如衍射、折射、反射等调制，随后向空间中发射被调制后的光束，比如聚焦光束、泛光光束、结构光光束等。光学元件112可以是透镜、衍射光学元件、掩膜板、反射镜、MEMS振镜等形式中的一种或多种的组合。
处理电路13可以是独立的专用电路，比如专用SOC芯片、FPGA芯片、ASIC芯片等等，也可以包含通用处理器，比如当该深度相机被集成到如手机、电视、电脑等智能终端中，终端中的处理器可以作为该处理电路13的至少一部分。
采集器12包括像素单元121、以及成像透镜单元122；其中，成像透镜单元122接收并将由物体反射回的至少部分调制光束引导到像素单元121上。在一个实施例中，像素单元121由单光子雪崩光电二极管(SPAD)组成，也可以由多个SPAD像素组成的阵列像素单元，阵列像素单元的阵列大小代表着该深度相机的分辨率，比如320×240等。
SPAD可以对入射的单个光子进行响应从而实现对单光子的检测，由于其具备灵敏度高、响应速度快等优点，可以实现远距离、高精度的测量。与CCD/CMOS等组成的以光积分为原理的图像传感器相比，SPAD可以通过对单光子进行计数，比如利用时间相关单光子计数法(TCSPC)实现对微弱光信号的采集以及飞行时间的计算。一般地，与像素单元121连接的还包括由信号放大器、时数转换器(TDC)、模数转换器(ADC)等器件中的一种或多种组成的读出电路(图中未示出)。这些电路即可以与像素整合在一起，这也可以是处理电路13中的一部分，为了便于描述，将统一视作处理电路13。
在一些实施例中，距离测量系统10还可以包括彩色相机、红外相机、IMU等器件，与这些器件的组合可以实现更加丰富的功能，比如3D纹理建模、红外人脸识别、SLAM等功能。
在一些实施例中，发射器11与采集器12也可以被设置成共轴形式，即二者之间通过具备反射及透射功能的光学器件来实现，比如半透半反镜等。
本发明实施例中，处理电路对光子信号进行处理绘制粗略直方图和精细直方图后，得到精确的飞行时间，后面将对处理直方图的方法进行详细说明。
请参照图2，图2为本发明飞行时间距离测量方法的流程示意图，其中，所述飞行时间距离测量方法包括如下步骤：
发射脉冲光束；
采集被物体反射回的所述脉冲光束中的光子并形成光子信号；
根据所述光子信号确定所述光子从被发射到被接收的飞行时间，并生成表征所述飞行时间的时间码；
基于所述时间码在相应的时间单元上进行计数，经过多次测量后将所有时间单元内的光子计数进行统计出粗略直方图以及精细直方图；
通过分别导出粗略直方图以及精细直方图的象素值并进行组合来确定飞行时间。
在本实施例中，通过将表示整体飞行时间直方图的分解为粗略直方图和精细直方图，可以在内存需求上减少一个数量级以上，同时还可以确保整体飞行时间保持不变。
请参考图3，图3的左图代表512bin的直方图，而右侧则是代表32bin的粗略直方图以及16bin的精细直方图，并且每个光子均同时计数在所述粗略直方图和所述精细直方图上，所述粗略直方图的时间分辨率小于所述精细直方图的时间分辨率。例如，对于10比特的数据研究，如果使用完整直方图，我们需要1024个二进制文件。如果使用宽度为32的粗略直方图和宽度为32的精细直方图来表示相同的直方图，则只需要64个二进制文件来表示相同的直方图。
在一实施例中，直方图存储器可以被分为多个存储位置，通常可以配置多个时间码寻址同一个存储位置，每个存储位置用于记录寻址该存储位置的时间码所表征的飞行时间对应的光子计数值。具体的，每个存储位置每被寻址一次其所记录的光子计数值加1。
在上述实施例中，测量方式为在若干个不连续的时间间隔内采集所述光子并生成光子信号。在实际应用中，预设的若干个不连续的时间间隔可以为具有等时间间隔的至少三个时间间隔，也可以为具有不等时间间隔的至少三个时间间隔。
示例性的，假设每个预设的时间间隔的时长均为0.5纳秒(ns)，当预设的若干个不连续的时间间隔为具有等时间间隔的至少三个时间间隔时，可以设置每相邻两个时间间隔之间的时间间隔均为1ns，那么，假如预设的第一个时间间隔为0ns～0.5ns，则预设的第二个时间间隔和第三个时间间隔分别为1.5ns～2ns和3ns～3.5ns。当预设的若干个不连续的时间间隔为具有不等时间间隔的至少三个时间间隔时，可以设置预设的第一个时间间隔与第二个时间间隔之间的时间间隔为0.5ns，第二个时间间隔与第三个时间间隔之间的时间间隔为1ns，那么，假如预设的第一个时间间隔为0ns～0.5ns，则预设的第二个时间间隔和第三个时间间隔分别为1ns～1.5ns和2.5ns～3ns。
可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、 或“第一实施例~第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、 结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种飞行时间距离测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
发射脉冲光束；
采集被物体反射回的所述脉冲光束中的光子并形成光子信号；
根据所述光子信号确定所述光子从被发射到被接收的飞行时间，并生成表征所述飞行时间的时间码；
基于所述时间码在相应的时间单元上进行计数，经过多次测量后将所有时间单元内的光子计数进行统计出粗略直方图以及精细直方图；
通过分别导出粗略直方图以及精细直方图的象素值并进行组合来确定飞行时间。
2.如权利要求1所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于，所述时间码作为地址寻址直方图存储器中的对应存储位置，所述存储位置用于记录寻址所述存储位置的时间码所表征的飞行时间对应的光子计数值，所述存储位置每被寻址一次其所记录的光子计数值加1。
3.如权利要求2所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于，测量方式为在若干个不连续的时间间隔内采集所述光子并生成光子信号。
4.如权利要求3所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于，所述若干个不连续的时间间隔为具有等时间间隔的至少三个时间间隔。
5.如权利要求3所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于，所述若干个不连续的时间间隔为具有不等时间间隔的至少三个时间间隔。
6.如权利要求5所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于，所述将所有时间单元内的光子计数进行统计出粗略直方图以及精细直方图的步骤包括：
每个光子均同时计数在所述粗略直方图和所述精细直方图上。
7.如权利要求6所述的飞行时间距离测量方法，其特征在于，所述粗略直方图的时间分辨率小于所述精细直方图的时间分辨率。
8.一种飞行时间距离测量装置，其特征在于，所述飞行时间距离测量装置包括：
发射器，经配置以发射脉冲光束；
采集器，经配置以采集被物体反射回的所述脉冲光束中的光子并形成光子信号；
处理电路，与所述发射器以及所述采集器连接，对所述光子信号进行处理绘制原始直方图，并基于权利要求1-7任一项所述的方法处理直方图。
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