CN115524719A - 偏振结构光3d相机及3d成像方法 - Google Patents

偏振结构光3d相机及3d成像方法 Download PDF

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CN115524719A CN202211230710.4A CN202211230710A CN115524719A CN 115524719 A CN115524719 A CN 115524719A CN 202211230710 A CN202211230710 A CN 202211230710A CN 115524719 A CN115524719 A CN 115524719A
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Abstract

本发明公开了一种偏振结构光3D相机及其3D成像方法，该偏振结构光3D相机包括相机主体、发射端TX和接收端RX；所述相机主体，用于承载发射端TX和接收端RX；所述发射端TX，用于生成并且发射偏振结构光；所述接收端RX，用于选择性地接收通过物体反射的偏振结构光。本发明在发射器(TX)和接收器(RX)上都具有偏振特性，能够识别和补全反射面，以及去除物体反射面和/或环境噪声的干扰。

Description

偏振结构光3D相机及3D成像方法
技术领域
本发明属于3D成像技术领域，具体涉及一种偏振结构光3D相机及3D成像方法。
背景技术
反射面，如玻璃、镜子和水面，是三维(3D)成像中的常见场景。它们通常会在深度传感和3D成像中导致不可逆转的错误，例如倒影虚像导致错误的深度测量或镜面反射致盲3D传感器。
目前主流的3D相机，如基于DBR-VCSEL的结构光相机、立体视觉相机(StereoVision Camera)等，在这类场景中都存在着明显的不足。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种偏振结构光3D相机及3D成像方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供一种偏振结构光3D相机，包括相机主体、发射端TX和接收端RX；
所述相机主体，用于承载发射端TX和接收端RX；
所述发射端TX，用于生成并且发射偏振结构光；
所述接收端RX，用于选择性地接收通过物体反射的偏振结构光。
上述方案中，所述发射端TX包括VCSEL阵列、第一偏振模块、结构光模块；所述VCSEL阵列用于生成并且发射激光；
所述第一偏振模块设置在VCSEL阵列的激光发射方向上，用于对激光或者结构光进行调制获得线偏振、圆偏振或者椭圆偏振的偏振激光；
所述结构光模块设置在VCSEL阵列的激光发射方向上，用于对偏振激光或者激光进行调制获得偏振结构光或者结构光。
上述方案中，所述第一偏振模块采用高对比度光栅(High-Contrast Grating)或其他超表面结构，设置在VCSEL阵列表面。
上述方案中，所述第一偏振模块采用透镜、传统透镜组合或者超表面透镜，并且设置在VCSEL阵列外部，位于VCSEL阵列和结构光模块之间，或者设置在结构光模块的外部。
上述方案中，所述第一偏振模块和结构光模块为一体式模块。
上述方案中，所述接收端RX包括成像模块、第二偏振模块；
所述第二偏振模块用于通过旋转偏振方向或固定偏振方向允许透过通过物体反射的偏振结构光并且到达成像模块；
所述成像模块用于对与第二偏振模块偏振方向非正交的偏振结构光进行成像。
上述方案中，所述第二偏振模块采用透镜、传统透镜组合或者超表面透镜，并且设置在成像模块表面，或者设置成像模块的外部。
本发明实施例还提供一种用于如上述方案中任意一项所述的偏振结构光3D相机的3D成像方法，该方法包括：
发射端TX发射偏振结构光对物体进行探测；
接收端RX、发射端TX根据干扰因素确定置于的方向，并且获得去除干扰后的物体的深度信息。
上述方案中，该方法还包括：所述接收端RX偏振模块置于与发射端TX偏振方向正交的偏振方向，用于消除反射面的深度信息；获取反射面后方物体的深度信息。
上述方案中，该方法还包括：确认环境噪声的主要偏振方向；所述发射端TX和接收端RX都置于与噪声正交的偏振方向，用于过滤掉环境噪声；获取去噪后的反射面或反射面后物体的深度信息。
上述方案中，该方法还包括：所述接收端RX置于与发射端TX的偏振方向正交和平行的两种方向，获取两组深度信息；通过所述两组深度信息进行相减，确认并提取反射面的深度信息；通过RGB摄像头获取探测场景的场景RGB图；在所述场景RGB图中获取反射面的范围；将提取到的反射面深度信息对反射面区域进行补全，获取完整的反射面深度信息。
上述方案中，所述接收端RX置于与发射端TX的偏振方向正交和平行的两种方向，获取两组深度信息，具体为：所述发射端TX发射偏振结构光，所述接收端RX置于与发射端TX平行的偏振方向，获取一组深度信息；再将所述接收端RX置于与发射端TX正交的偏振方向，获取另一组深度信息。
与现有技术相比，本发明在发射器(TX)和接收器(RX)上都具有偏振特性，能够识别和补全反射面，以及去除物体反射面和/或环境噪声的干扰。
附图说明
此处所说明的附图用来公开对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供一种偏振结构光3D相机的结构示意图；
图2为本发明实施例提供一种偏振结构光3D相机的立体图；
图3为本发明实施例1提供一种偏振结构光3D相机的第一偏振模块的结构示意图；
图4为本发明实施例2提供一种偏振结构光3D相机的第一偏振模块的结构示意图；
图5为本发明实施例3提供一种偏振结构光3D相机的第一偏振模块的结构示意图；
图6为本发明实施例3提供一种偏振结构光3D相机的结构示意图；
图7为本发明实施例4提供一种偏振结构光3D相机的第一偏振模块的结构示意图；
图8为本发明实施例5提供一种偏振结构光3D相机的第二偏振模块的结构示意图；
图9为本发明实施例6提供一种偏振结构光3D相机的第二偏振模块的结构示意图；
图10为本发明实施例6提供一种偏振结构光3D相机的结构示意图；
图11为本发明实施例提供一种3D成像方法针对过滤反射面的流程图；
图12为本发明实施例提供一种3D成像方法中对玻璃后方物体的3D成像结果示意图；
图13为本发明实施例提供一种3D成像方法中对反射面后方物体的3D成像原理示意图；
图14为本发明实施例提供一种3D成像方法针对过滤掉自然光在反射面上的反射噪声的流程图；
图15为本发明实施例提供一种3D成像方法中确认反射噪声的偏振方向原理示意图；
图16为本发明实施例提供一种3D成像方法中对抗玻璃反射噪声的3D成像结果示意图；
图17为本发明实施例提供一种3D成像方法中对抗反射面噪声的3D成像原理示意图；
图18为本发明实施例提供一种3D成像方法对反射面本身进行探测以及深度补全的流程图；
图19为本发明实施例提供一种3D成像方法中对玻璃的3D成像结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
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、物品或者装置不仅包括那些要素，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、物品或者装置所固有的要素。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、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
本发明实施例提供一种偏振结构光3D相机，如图1、2所示，包括相机主体101、发射端TX102和接收端RX103；
所述相机主体101，用于承载发射端TX102和接收端RX103；
所述发射端TX102，用于生成并且发射偏振结构光；
所述接收端RX103，用于选择性地接收通过物体反射的偏振结构光。
所述发射端TX102包括VCSEL阵列、第一偏振模块301、结构光模块302；所述VCSEL阵列用于生成并且发射激光；
所述第一偏振模块301设置在VCSEL阵列的激光发射方向上，用于对激光或者结构光进行调制获得线偏振、圆偏振或者椭圆偏振的偏振激光；
所述结构光模块302设置在VCSEL阵列的激光发射方向上，用于对偏振激光或者激光进行调制获得偏振结构光或者结构光。
所述结构光模块302采用Dammann光栅或超表面透镜。
示例性地，在实施例1中，如图3所示，所述第一偏振模块301采用高对比度光栅(High-Contrast Grating)或其他超表面结构，设置在VCSEL阵列表面。
示例性地，在实施例2中，如图4所示，所述第一偏振模块301采用透镜、传统透镜组合或者超表面透镜，如偏振片、半波片、四分之一波片等，并且设置在VCSEL阵列外部，位于VCSEL阵列和结构光模块302之间，所述第一偏振模块301独立于VCSEL阵列。
示例性地，在实施例3中，如图5、6所示，所述第一偏振模块301采用透镜、传统透镜组合或者超表面透镜，如偏振片、半波片、四分之一波片等，设置在结构光模块302的外部，所述第一偏振模块301独立于VCSEL阵列。
示例性地，在实施例4中，如图7所示，所述第一偏振模块301和结构光模块302为一体式模块303，所述一体式模块303独立于VCSEL阵列。
在一些实施例中，线偏振片可以使出射光变成线偏振，具体偏振方向可通过固定特定方向或在内部设置MEMS进行旋转，实现如0°、45°、90°线偏振；也可以是偏振片和四分之一波片的组合，使出射光变成圆偏振光，实现如左旋偏振、右旋偏振；
在使用超表面透镜时，针对偏振设计不同的超表面结构，使经过超表面调制后的发射光具有特定偏振性。
所述接收端RX103包括成像模块、第二偏振模块401；
所述第二偏振模块401用于通过旋转偏振方向或固定偏振方向允许透过通过物体反射的偏振结构光并且到达成像模块；
所述成像模块用于对与第二偏振模块401偏振方向非正交的偏振结构光进行成像。
其中与第二偏振模块401的偏振方向正交的物体信息则不会被成像。
所述第二偏振模块401可以是制备在成像模块上的薄膜结构或由MEMS控制的独立结构；
示例性地，在实施例5中，如图8所示，所述第二偏振模块401采用透镜、传统透镜组合或者超表面透镜，并且设置在成像模块表面。
示例性地，在实施例6中，如图9、10所示，所述第二偏振模块401采用透镜、传统透镜组合或者超表面透镜，设置成像模块的外部。
本发明利用所述偏振结构光3D相机对含反射面的场景进行3D成像；其中，包括对反射面的3D成像、对反射面后方物体的3D成像、抗反射面噪声3D成像。
本发明实施例还提供一种3D成像方法，该方法应用在所述偏振结构光3D相机，该方法具体包括：
发射端TX发射偏振结构光对物体进行探测；
接收端RX、发射端TX根据干扰因素确定置于的方向，并且获得去除干扰后的物体的深度信息。
本发明可以应用在对反射面本身进行探测以及深度补全；过滤反射面，识别反射面后方的物体；过滤自然光在反射面上的反射噪声，能够识别和补全反射面，以及去除物体反射面和/或环境噪声的干扰。
针对过滤反射面，识别反射面后方的物体(如透过玻璃看玻璃后方物体，透过水面看水下的物体)，本发明实施例还提供一种3D成像方法，如图11所示，该方法包括：
步骤101：发射端TX102发射偏振结构光对物体进行探测；
具体地，所述偏振可以是线偏振、圆偏振、椭圆偏振。
步骤102：所述接收端RX103置于与发射端TX102偏振方向正交的偏振方向，用于消除反射面的深度信息；
具体地，在一些实施例中，如图12所示对玻璃后方的篮球成像，首先TX发射水平偏振的结构光，RX置于与TX平行的偏振方向，可以获得图12(b)所示深度图，其中因为RX方向与TX方向平行，玻璃和后方篮球都能成像；再将RX置于与TX正交的偏振方向，即竖直偏振，获取图12(c)所示的另一组深度信息，其中玻璃的深度信息因为保持原有的偏振方向而被RX端的偏振模块过滤掉，后方篮球的深度信息因漫反射具有各种偏振方向而被保留。
步骤103：获取反射面后方物体的深度信息。
具体地，在一些实施例中，就是获得了玻璃后方篮球的成像。
需要说明的是，该方法还可以用于水下物体的探测。
如图13所示，本发明中偏振结构光照射到物体的反射面上，然后偏振结构光被反射回到RX端成像；根据菲涅尔公式(Fresnel equation)，该镜面反射光能保持原有入射光的偏振特性，而其他非反射面的物体则因漫反射而拥有各种偏振方向的反射光，因此可以利用RX端的第二偏振模块401，选择性地接收该反射面的反射光。
所述反射面是指具有镜面反射特性的物体，如玻璃、镜子、金属、瓷砖地面、水面等。
针对过滤自然光在反射面上的反射噪声(如太阳光在玻璃上的反射)，本发明实施例还提供一种3D成像方法，如图14所示，该方法包括：
步骤201：发射端TX102发射偏振结构光对物体进行探测；
具体地，所述偏振可以是线偏振、圆偏振、椭圆偏振。
步骤202：确认环境噪声的主要偏振方向；
具体地，在本实施例中，如图15所示，根据菲涅尔公式，确认反射噪声的主要分量为S偏振；根据反射面和入射平面的关系，确认反射分量S偏振与偏振结构光3D相机的关系为平行或正交；根据两者的位置关系将发射端TX和接收端RX都置于与反射噪声正交的偏振方向。
示例性地，根据菲涅尔公式(Fresnel equation)，S偏振(与入射平面垂直的偏振分量)和P偏振(与入射平面平行的偏振分量)的反射系数rs和rp可以表述为：
Figure BDA0003881426800000081
Figure BDA0003881426800000082
其中，θi为入射角，θt为折射角，θt可以通过公式θt＝sin-1(sin(θi)·n1/n2)求出，n1为入射空间的折射率，在本实施例中为空气n1＝1，n2为反射面的折射率，在本实施例中为玻璃n2＝1.5。
如图15(a)所示，表示
Figure BDA0003881426800000083
和
Figure BDA0003881426800000084
随入射角θi的关系，可以看出在很大的范围，反射光S偏振占比更多，甚至在达到Brewster's angleθB＝tan-1(n2/n1)时，在本实施例中θB＝56.31，反射光只有S偏振；可以根据此方法，判断出在环境噪声的主要偏振方向，确认发射端TX102的偏振方向。
在一些实施例中，如图15(b)所示，反射面在xy平面，入射平面在yz平面，环境噪声具有S(与yz平面垂直)和P(与yz平面平行)偏振，在经过反射面反射后，反射噪声主要包含S偏振。此时偏振结构光3D相机方向与S偏振平行，所以发射端TX和接收端RX都置于竖直偏振的方向，可以过滤掉反射噪声。
在一些实施例中，如图15(c)所示，反射面在yz平面，入射平面在xy平面，环境噪声具有S(与xy平面垂直)和P(与xy平面平行)偏振，在经过反射面反射后，反射噪声主要包含S偏振，此时偏振结构光3D相机方向与S偏振正交，所以发射端TX和接收端RX都置于水平偏振的方向，可以过滤掉反射噪声。
步骤203：所述发射端TX102和接收端RX103都置于与噪声正交的偏振方向，用于过滤掉环境噪声；
具体地，在本实施例中，如图16(a)所示对户外玻璃场景的探测，在该场景下，太阳光在玻璃上的反射噪声主要是水平偏振方向，将发射端TX102和接收端RX103都置于竖直偏振的方向，可以过滤掉太阳光反射噪声，而TX和RX同方向，则不会对探测造成影响，可以得出如图16(b)所示清晰的深度图，其中虚线框中的书本深度信息可以正确地被呈现；而使用其他如立体视觉3D成像方法，如图16(c)所示，则会因太阳光反射噪声出现很多错误；
步骤204：获取反射面后方物体的深度信息。
具体地，在一些实施例中，就是获得了去除太阳光反射噪声后的成像。
如图17所示，在含反射面的探测场景，其他环境噪声，如太阳光、云和建筑的影子等，在反射面上的反射噪声会对相机3D探测造成不利影响；根据菲涅尔公式(Fresnelequation)，该噪音一般具有固定的偏振方向；将偏振结构光3D相机TX和RX的偏振方向都置于与噪声正交的偏振方向，过滤掉环境噪声。
需要说明的是，该方法可以应用于反射面自身的抗噪3D成像，也可以应用于透明反射面后方物体的抗噪3D成像。
针对对反射面(如玻璃、水面、金属等)本身进行探测以及深度补全，本发明实施例还提供一种3D成像方法，如图17所示，该方法包括：
步骤301：发射端TX102发射偏振结构光对物体进行探测；
具体地，所述偏振可以是线偏振、圆偏振、椭圆偏振。
步骤302：所述接收端RX102分别置于与发射端TX103的偏振方向正交和平行的两种方向，获取两组深度信息；
具体地，在一些实施例中，如图18所示，对玻璃的3D探测及深度补全，首先TX发射水平偏振的结构光，RX置于与TX平行的偏振方向，获取图18(b)所示的一组深度信息，其中包含玻璃(虚线框)的深度信息和其他非反射面物体的深度信息；再将RX置于与TX正交的偏振方向，获取图18(c)所示的另一组深度信息，其中玻璃的深度信息因为保持原有的偏振方向而被RX端的偏振模块过滤掉，非反射面物体的深度信息因漫反射具有各种偏振方向而被保留。
步骤303：利用获取的两组深度信息进行相减，确认并提取反射面的深度信息；
具体地，一方面可以证明这些深度信息属于反射面，另一方面可以提取出如图19(d)所示的反射面的深度信息；
步骤304：在场景RGB图中获取反射面的范围；
具体地，本实施例提供的偏振结构光3D相机也含有RGB摄像头，可以获取如图19(a)所示的探测场景的场景RGB图；
根据场景RGB图，可以通过深度学习算法或边缘检测算法等获取如图19(e)所示的玻璃范围，其中属于玻璃的范围用1标记(白色)，不是玻璃的范围用0标记(黑色)。
步骤305：将提取到的反射面深度信息对反射面区域进行补全，获取完整的反射面深度信息；
具体地，在本实施例中，如图19(f)所示，将图19(d)中提取到的玻璃深度信息补全到图19(e)所示的玻璃范围，从而获取完整的玻璃深度信息。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种偏振结构光3D相机，其特征在于，包括相机主体、发射端TX和接收端RX；
所述相机主体，用于承载发射端TX和接收端RX；
所述发射端TX，用于生成并且发射偏振结构光；
所述接收端RX，用于选择性地接收通过物体反射的偏振结构光。
2.根据权利要求1所述的偏振结构光3D相机，其特征在于，所述发射端TX包括VCSEL阵列、第一偏振模块、结构光模块；所述VCSEL阵列用于生成并且发射激光；
所述第一偏振模块设置在VCSEL阵列的激光发射方向上，用于对激光或者结构光进行调制获得线偏振、圆偏振或者椭圆偏振的偏振激光；
所述结构光模块设置在VCSEL阵列的激光发射方向上，用于对偏振激光或者激光进行调制获得偏振结构光或者结构光。
3.根据权利要求2所述的偏振结构光3D相机，其特征在于，所述第一偏振模块采用高对比度光栅(High-Contrast Grating)或其他超表面结构，设置在VCSEL阵列表面。
4.根据权利要求2所述的偏振结构光3D相机，其特征在于，所述第一偏振模块采用透镜、传统透镜组合或者超表面透镜，并且设置在VCSEL阵列外部，位于VCSEL阵列和结构光模块之间，或者设置在结构光模块的外部。
5.根据权利要求2所述的偏振结构光3D相机，其特征在于，所述第一偏振模块和结构光模块为一体式模块。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的偏振结构光3D相机，其特征在于，所述接收端RX包括成像模块、第二偏振模块；
所述第二偏振模块用于通过旋转偏振方向或固定偏振方向允许透过通过物体反射的偏振结构光并且到达成像模块；
所述成像模块用于对与第二偏振模块偏振方向非正交的偏振结构光进行成像。
7.根据权利要求6所述的偏振结构光3D相机，其特征在于,所述第二偏振模块采用透镜、传统透镜组合或者超表面透镜，并且设置在成像模块表面，或者设置成像模块的外部。
8.一种用于如权利要求1-7任意一项所述的偏振结构光3D相机的3D成像方法，其特征在于，该方法包括：
发射端TX发射偏振结构光对物体进行探测；
接收端RX、发射端TX根据干扰因素确定置于的方向，并且获得去除干扰后的物体的深度信息。
9.根据权利要求8所述的3D成像方法，其特征在于，该方法还包括：所述接收端RX偏振模块置于与发射端TX偏振方向正交的偏振方向，用于消除反射面的深度信息；获取反射面后方物体的深度信息。
10.根据权利要求8所述的3D成像方法，其特征在于，该方法还包括：确认环境噪声的主要偏振方向；所述发射端TX和接收端RX都置于与噪声正交的偏振方向，用于过滤掉环境噪声；获取去噪后的反射面或反射面后物体的深度信息。
11.根据权利要求8所述的3D成像方法，其特征在于，该方法还包括：所述接收端RX置于与发射端TX的偏振方向正交和平行的两种方向，获取两组深度信息；通过所述两组深度信息进行相减，确认并提取反射面的深度信息；通过RGB摄像头获取探测场景的场景RGB图；在所述场景RGB图中获取反射面的范围；将提取到的反射面深度信息对反射面区域进行补全，获取完整的反射面深度信息。
12.根据权利要求11所述的3D成像方法，其特征在于，所述接收端RX置于与发射端TX的偏振方向正交和平行的两种方向，获取两组深度信息，具体为：所述发射端TX发射偏振结构光，所述接收端RX置于与发射端TX平行的偏振方向，获取一组深度信息；再将所述接收端RX置于与发射端TX正交的偏振方向，获取另一组深度信息。
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