CN116067305A - 一种结构光测量系统和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种结构光测量系统和测量方法，该结构光测量系统包括图案编码投射器；接收器；数据处理模块，用于以预设子窗口为匹配子窗口，在多组红外光斑图中的第二红外光斑图中寻找第一红外光斑图中像素的匹配点，获得像素匹配点对，还用于计算像素匹配点对之间的偏移量，并根据像素匹配点对之间的偏移量，获得深度图。本发明实施例对两个红外接收相机同步采集的一组红外光斑图进行分析，减少了环境光源和组装误差对测量带来的不良影响，且采用多组红外光斑图获取像素匹配点对，在较小的匹配子窗口下即能准确找到红外光斑图的像素匹配点对，兼顾了结构光测量系统测量的准确性和细节还原能力。
Description
技术领域
本发明实施例涉及3D成像技术领域，尤其涉及一种结构光测量系统和测量方法。
背景技术
随着科技和工业的发展，3D结构光因其测量精度高、高性价比等特点，被广泛应用于工业检测、体积测量等领域。
3D结构光包含投射器和红外接收相机，投射器可以向待测物体表面投射带有特征结构的红外光斑图案，红外接收相机可以采集经待测物体表面反射后的红外光斑图案，之后将采集到的红外光斑图案与存储器内存储的已知距离的参考红外光斑图案进行图像匹配，根据同一像素点在两张红外光斑图案上的位置的偏移量，利用三角测量原理得到物体的三维信息。其中，图像匹配的原理一般是在采集到的红外光斑图案上某一像素点邻域区域选择一个子窗口，并在参考红外光斑图案上去找寻与该子窗口最为相似的子窗口作为匹配子图，匹配子图中对应的像素点即为该像素点的匹配点，如此完成整幅图像像素点的匹配。
但现有的3D结构光存在的问题有：
1)当选择的子窗口区域较小时，参考红外光斑图案中可能会存在多个子窗口与要匹配的子窗口匹配上，导致误匹配，以及造成深度图输出噪点较多和准确性不高的情况；当选择的子窗口区域较大时，子窗口中存在更加丰富的匹配信息，较容易匹配到正确的匹配子图，但如此计算量较大，耗时较长，另外匹配的子窗口较大会导致计算的深度信息比较粗糙，输出的深度图会丢失物体的细节信息以及细节还原能力较差的情况；如此，对于子窗口的区域选择无法兼顾深度测量准确性和细节还原能力；
2)易受环境光影响大，当外界环境光较强时，环境光中与投射器波长一致的光在红外接收相机上成像，投射器投射的红外光斑图案淹没在环境光中，3D结构光无法准确识别出投射器投射出来的光斑点，继而无法测量物体准确的深度信息；
3)对投射器和红外接收相机的组装定位、散热要求严格(结构设计难度大)，通过比对采集的红外光斑图案与预存的参考红外光斑图案的对应散斑点的偏移量计算深度信息时，当投射器或红外接收相机因为受热、结构应力、外界受压等因素的影响时，也会导致投射器发出的红外光斑图案发生偏移，系统无法有效区分红外光斑图案的偏移是待测物体距离变化引起的还是由于投射器和红外接收相机模组自身受热受力导致变形引起的，进而影响物体深度信息的测量准确度。
发明内容
本发明实施例提供一种结构光测量系统和测量方法，减少环境光源和组装误差对测量带来的不良影响，兼顾结构光测量系统测量的准确性和细节还原能力。
第一方面，本发明实施例提供了一种结构光测量系统，包括：
图案编码投射器，用于依次发射多种不同的红外光斑图；
接收器，包括两个红外接收相机，两个所述红外接收相机分别用于同步采集所述红外光斑图，形成多种第一红外光斑图和多种第二红外光斑图，同步采集的一种所述第一红外光斑图和一种所述第二红外光斑图组成一组红外光斑图；
数据处理模块，用于以预设子窗口为匹配子窗口，利用多组红外光斑图在所述第二红外光斑图中寻找所述第一红外光斑图中像素的匹配点，获得像素匹配点对，还用于计算所述像素匹配点对之间的偏移量，并根据所述像素匹配点对之间的偏移量，获得深度图。
第二方面，本发明实施例还提供了一种结构光测量方法，应用于如第一方面任一项所述的结构光测量系统中，该测量方法包括：
依次发射多种不同的红外光斑图；
获取多组红外光斑图，每组红外光斑图包括同步采集的一种第一红外光斑图和一种第二红外光斑图，所述第一红外光斑图与所述第二红外光斑图分别由不同的红外接收相机采集获得；
以预设子窗口为匹配子窗口，利用多组红外光斑图在所述第二红外光斑图中寻找所述第一红外光斑图中像素的匹配点，获得像素匹配点对；
计算所述像素匹配点对之间的偏移量，并根据所述像素匹配点对之间的偏移量，获得深度图。
本发明实施例提供了一种结构光测量系统和测量方法，该结构光测量系统包括图案编码投射器，用于依次发射多个不同的红外光斑图；接收器，包括两个红外接收相机，两个红外接收相机分别用于同步采集红外光斑图，形成多个第一红外光斑图和多个第二红外光斑图，同步采集的一个第一红外光斑图和一个第二红外光斑图组成一组红外光斑图；数据处理模块，用于以预设子窗口为匹配子窗口，在多组红外光斑图中的第二红外光斑图中寻找第一红外光斑图中像素的匹配点，获得像素匹配点对，还用于计算像素匹配点对之间的偏移量，并根据像素匹配点对之间的偏移量，获得深度图。本发明实施例对两个红外接收相机同步采集的一组红外光斑图进行分析，减少了环境光源和组装误差对测量带来的不良影响，且采用多组红外光斑图获取像素匹配点对，在较小的匹配子窗口下即能准确找到红外光斑图的像素匹配点对，兼顾了结构光测量系统测量的准确性和细节还原能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的一种结构光测量系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种图案编码投射器的光路示意图；
图3是本发明实施例提供的一种图案编码投射器的第一剖视示意图；
图4是本发明实施例提供的一种图案编码投射器的第二剖视示意图；
图5是本发明实施例提供的一种位置移动装置的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种音圈马达的位移稳定曲线示意图；
图7是本发明实施例提供的另一种结构光测量系统的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的一种双目结构光成像的原理示意图；
图9是本发明实施例提供的一种图案编码投射器发射的红外光斑的示意图；
图10是本发明实施例提供的一种结构光测量方法的流程示意图；
图11是本发明实施例提供的一种结构光测量系统的工作过程示意图；
图12是本发明实施例提供的另一种结构光测量方法的流程示意图；
图13A是本发明实施例提供的一种第一红外光斑的示意图；
图13B是本发明实施例提供的一种第二红外光斑的示意图；
图14A是本发明实施例提供的另一种第一红外光斑的示意图；
图14B是本发明实施例提供的另一种第二红外光斑的示意图；
图15是本发明实施例提供的又一种结构光测量方法的流程示意图；
图16A是图13A和图14A融合后的第一光斑融合的示意图；
图16B是图13B和图14B融合后的第二光斑融合的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1是本发明实施例提供的一种结构光测量系统的结构示意图，如图1所示，该结构光测量系统包括：图案编码投射器10，用于依次发射多种不同的红外光斑图；接收器20，包括两个红外接收相机(示例性地，两个红外接收相机为图1中图案编码投射器10左侧的第一红外接收相机21和右侧的第二红外接收相机22)，两个红外接收相机分别用于同步采集红外光斑图，形成多种第一红外光斑图(示例性地，第一红外光斑图可以由第一红外接收相机21采集得到)和多种第二红外光斑图(示例性地，第二红外光斑图可以由第二红外接收相机22采集得到)，同步采集的一种第一红外光斑图和一种第二红外光斑图组成一组红外光斑图；数据处理模块30，用于以预设子窗口为匹配子窗口，利用多组红外光斑图在第二红外光斑图中寻找第一红外光斑图中像素的匹配点，获得像素匹配点对，还用于计算像素匹配点对之间的偏移量，并根据像素匹配点对之间的偏移量，获得深度图。
其中，预设子窗口为第一红外光斑图中的区域，预设子窗口的区域大小依据子窗口匹配的唯一性而定，在第二红外光斑图中寻找包含相匹配的像素点的子窗口的大小与预设子窗口的大小相同。具体地，图案编码投射器10可以向外依次发射多种不同的红外光斑图至待测物体表面，其中，该红外光斑图包括多个红外光斑点，每个红外光斑点之间存在一定的间隔。接收器20包括两个红外接收相机(第一红外接收相机21和第二红外接收相机22)，两个红外接收相机主要由红外镜头、红外窄带滤光片、红外芯片组成，图案编码投射器10可以位于两个红外接收相机中间的任意位置处，并且图案编码投射器10的投射视场角大于两个红外接收相机的采集视场角，两个红外接收相机可以同步采集经待测物体表面反射的红外光斑图，形成多种第一红外光斑图和多种第二红外光斑图，并将两个红外接收相机同步采集的一种第一红外光斑图和一种第二红外光斑图组成一组红外光斑图。数据处理模块30可以根据同步采集的第一红外光斑图中的匹配子窗口，该匹配子窗口是以第一红外光斑图中待匹配像素点的邻近区域选取的子窗口，在同步采集的第二红外光斑图中寻找与该匹配子窗口相匹配的子窗口，该相匹配的子窗口包括与待匹配像素点相匹配的像素点，两个相匹配的像素点构成像素匹配点对。数据处理模块30还可以根据像素匹配点对之间的偏移量，确定该待匹配像素点的深度值，然后将红外光斑图中所有的像素点的深度值进行综合以获得该待测物体的深度图。
需要说明的是，一组红外光斑图中光斑的特征或数据相对较少，只利用一组红外光斑图确定匹配的子窗口时，容易在第二红外光斑图中得到多个与第一红外光斑图的子窗口相似的子窗口。而本申请的数据处理模块30根据多组红外光斑图，以预设大小的子窗口在两个红外接收相机接收的红外光斑图中确定出匹配子窗口，进而在匹配子窗口中确定像素匹配点，相较于仅通过一组红外光斑图确定匹配子窗口的方式，利用多组红外光斑图，不同组的红外光斑图中光斑特征或数据不同，能够得到第二红外光斑图中相同位置的子窗口的更多光斑特征或数据，换言之，可以增加窗口的匹配信息，准确地确定第二红外光斑图中某一位置的子窗口为最佳匹配子窗口，减少窗口的误匹配，进而可以更精确地确定像素匹配点，根据多组红外光斑图寻找像素匹配点对的准确度更高。此外，基于多组红外光斑图寻找匹配子窗口的方式确定匹配子窗口更准确，故而可适当缩小匹配子窗口的尺寸或以相对较小尺寸的窗口查找匹配子窗口，此时在进行窗口匹配时数据处理量会减少，也能利用较小尺寸的窗口体现更细节的图像深度信息，增强了深度图细节的还原能力，也避免了采用大尺寸子窗口进行匹配时计算量过大的问题。综上，本发明实施例采用多组红外光斑图进行子窗口匹配，确定像素匹配点对的过程，既可以提升窗口匹配的准确性，还可以兼顾深度图输出的细节还原能力，减少数据计算量。
另外，相较于将接收器20采集得到的红外光斑图与提前保存的已知距离的参考红外光斑图进行比对，本发明实施例采用第一红外接收相机21和第二红外接收相机22采集的两幅红外光斑图进行像素点匹配和比对，可以保证即使在环境光较强的使用场景下利用物体自带的特征信息也可以作为匹配参考特征点，从而进行深度测量，而避免与参考红外光斑图对比时采集的红外光斑图已受环境光影响而淹没在背景光里，导致无法准确寻找匹配点的问题，实现了有效避免因外界环境光的影响而导致结构光测量系统出现深度测量有误的情况。
进一步地，相对于利用采集得到的红外光斑图与提前保存的已知距离的参考红外光斑图进行比对的方案，其首先需要提前保存参考红外光斑图，而在使用过程中若因为结构件的应力释放或热应力导致红外接收相机相对投射器位置发生变化，此位置变化则会在计算深度信息时引入误差，降低深度计算的准确性，故而对红外接收相机的散热及装配要求较高。而本发明实施例由于采用两个红外接收相机同步采集的两幅红外光斑图进行像素点匹配和对比，在对比过程中只需测量同一物点在图像上的偏移量即可计算物体的深度信息，故而在采集图像过程中只需投射的红外光斑图相对待测物保持静止即可，能在精确计算深度信息的同时，降低对模组组装定位、散热的要求。
可选地，图2是本发明实施例提供的一种图案编码投射器的光路示意图，图3是本发明实施例提供的一种图案编码投射器的第一剖视示意图，图4是本发明实施例提供的一种图案编码投射器的第二剖视示意图，如图2、图3和图4所示，图案编码投射器10包括红外光源101、位置移动装置40和红外光斑掩膜版102，红外光斑掩膜版102位于红外光源101的出射光路上，位置移动装置40与红外光斑掩膜版102机械连接；位置移动装置40用于移动红外光斑掩膜版102的位置以使图案编码投射器10投射出不同的红外光斑图。进一步地，图案编码投射器10还包括准直镜103和投射物镜透镜组104，准直镜103、红外光斑掩膜版102和投射物镜透镜组104依次位于红外光源101的出射光路上。
具体地，图案编码投射器10包括红外光源101、红外光斑掩膜版102、准直镜103、投射物镜透镜组104和位置移动装置40。红外光源101可以发出红外光束，示例性地，红外光源101可以为垂直腔面激光发射器、水平腔面激光发射器和发光二极管等，红外光源101出射的红外光束的波长可以为850nm、905nm和940nm等。准直镜103、红外光斑掩膜版102和投射物镜透镜组104依次位于红外光源101的出射光路上，其中，准直镜103可以将红外光源101出射的红外光束准直为不同角度的平行光束，红外光斑掩膜版102一般形成在玻璃或石英基底上，并使用微纳加工工艺，在基底表面上形成自定义的金属图案层，该金属图案层为纳米或微米级高密度图案，红外光斑掩膜版102包括透光部分和不透光部分，可以将透过红外光斑掩膜版102上的透光部分的平行光束投射出去，在待测物体表面上形成与红外光斑掩膜版102上的透光部分一致的红外光斑图。
位置移动装置40与红外光斑掩膜版102机械连接，位置移动装置40可以移动红外光斑掩膜版102的位置以使图案编码投射器10投射出不同的红外光斑图，示例性地，将图2中的红外光斑掩膜版102从实线位置移动到虚线位置，相应的投射物镜透镜组104投射出去的红外光斑图的图案形状是不同的。
可选地，图5是本发明实施例提供的一种位置移动装置的结构示意图，继续参考图3、图4和图5，位置移动装置40可以是音圈马达401、压电陶瓷或微位移步进电机。进一步地，位置移动装置40包括音圈马达401和可移动支架402；可移动支架402包括相互背离的第一端和第二端，第一端与音圈马达401通过螺纹连接，第二端呈平板结构且设置有贯穿槽；红外光斑掩膜版102固定于第二端的贯穿槽中。
具体地，位置移动装置40包括音圈马达401和可移动支架402。通过马达驱动芯片可以调节供给至音圈马达401的电流大小，使音圈马达401产生推拉力从而带动可移动支架402运动，进而使红外光斑掩膜版102移动至不同的位置，该图案编码投射器10可以发射多种不同的红外光斑图，需要说明的是，为了保证不同组的红外光斑图在极线方向的差异，还需要红外光斑掩膜版102每次移动的距离较小，示例性地，红外光斑掩膜版102的单个步长距离需小于10μm。可移动支架402包括相互背离的第一端和第二端，第一端为圆形结构(类似镜筒的结构)，并通过螺纹与音圈马达401的内腔相连接，通过胶水加强音圈马达401与可移动支架402的连接稳定性，第二端为设置有贯穿槽的平板结构，红外光斑掩膜版102通过胶水固定于第二端的贯穿槽中。需要说明的是，优选采用能保证稳定的推动质量需大于3g的物体运动的音圈马达401。
图6是本发明实施例提供的一种音圈马达的位移稳定曲线示意图，继续参考图5和图6，由于音圈马达401内是利用簧片来驱动支架移动，因此簧片自身的谐振运动，会导致将音圈马达401推到目标位置时，不会立刻停下来。需要说明的是，该结构光测量系统需要等到音圈马达401稳定后，再开始采集待测物体表面的红外光斑图，音圈马达401的稳定时间越快，相同时间内采集的红外光斑图的数量越多，该结构光测量系统的深度测量精度越高。示例性地，音圈马达401可以为闭环马达，闭环马达可以利用其闭环系统来控制抖动时间，加速稳定速度，在对稳定时间要求较高的应用场景优选闭环马达。继续参考图3和图4，该图案编码投射器10还包括投射物镜镜筒105、固定螺丝106、外壳107、准直镜镜筒108、电路板109、盖板1010、航空插头1011和电源接口1012，投射物镜镜筒105可以保护及固定投射物镜透镜组104，固定螺丝106可以将投射物镜镜筒105固定在该图案编码投射器10的外壳107中，准直镜镜筒108可以保护及固定准直镜103，电路板109可以为红外光源101供电以维持该图案编码投射器10处于正常工作状态。此外，红外光源101可以位于红外光斑掩膜版102的物方焦平面位置处，并通过金线和导电胶电联于电路板109上，红外光斑掩膜版102固定于准直镜镜筒108的内腔中，准直镜镜筒108通过胶水或螺丝固定于外壳107的内腔中，且准直镜103也处于投射物镜透镜组104的物方焦平面位置处，准直镜103通过胶水固定在可移动支架402上，投射物镜透镜组104通过螺纹和胶水固定在投射物镜镜筒105的内腔中，投射物镜镜筒105通过固定螺丝106固定在外壳107中。音圈马达401的正导通电极4012和负导通电极4013通过导线电联于电路板109上，并且，电路板109上贴附有马达驱动芯片，盖板1010通过胶水或螺丝与外壳107固定为一体结构，使电路板109和光学元器件位于一封闭环境中，免受外界环境的污染。航空插头1011可以控制红外光源101激光发射的频率和脉宽，并输出同步信号，电源接口1012可以使图案编码投射器10与接收器20处于同步工作，并使外界电源为驱动投射器10与接收器20的正常工作提供电源，示例性地，航空插头1011可以为DC输入插座、USB接口、RJ45网口、TypeC等接插口。
图7是本发明实施例提供的另一种结构光测量系统的结构示意图，如图7所示，在本发明的其他实施例中，该结构光测量系统还包括位置移动装置40，位置移动装置40与图案编码投射器10机械连接，位置移动装置40用于移动图案编码投射器10相对接收器20的位置以形成不同的红外光斑图。具体地，位置移动装置40可以驱动图案编码投射器10整体移动或者转动，对于不同的位置处，图案编码投射器10发射的红外光斑图的图案形状是相同的，但红外光斑图相对于接收器20(示例性地，接收器20包括位于图案编码投射器10左侧的第一红外接收相机21和右侧的第二红外接收相机22)的位置是发生改变的，即第一红外接收相机21和第二红外接收相机22采集到的红外光斑图是不一样的。
图8是本发明实施例提供的一种双目结构光成像的原理示意图，如图1、图5和图8所示，可选地，红外光斑掩膜版的移动方向与两个红外接收相机的极线50的延伸方向不平行；其中，红外接收相机的极线50为物点(示例性地，物点为三维空间中的任意一点P)与两个红外接收相机的光心(示例性地，其中一个红外接收相机的光心为Ol，另外一个红外接收相机的光心为Or)形成的极平面与两个红外接收相机的像平面相交的直线。
具体地，基线方向为两个红外接收相机的连接方向，并且，两个红外接收相机之间的距离为基线距离B，基线距离B越大，两个红外接收相机之间的距离越大，该结构光测量系统测量出来的偏移量越大，该结构光测量系统的可测量的距离范围越大。极线50方向为物点P与两个红外接收相机的光心形成的极平面与两个红外接收相机的像平面相交的直线方向，P和两个红外接收相机的光心Ol与Or形成了三维空间中的一个平面POlOr，该POlOr平面可以称为极平面。极平面和两个红外接收相机的像平面分别相交于两条直线，这两条直线可以称为极线50。Ol与Or之间的连接线与两个红外接收相机的像平面的交点分别为el和er，el和er可以称为极点。P在红外接收相机Ol的像平面中的成像点是pl，在红外接收相机Or的像平面中的成像点是pr。进一步地，对于成像点pl，需要寻找对应的匹配点pr，然后利用三角测距原理确定P在三维空间中的位置。为了能够减小pr的搜索范围，我们引入极线约束的概念，即对于任意一个三维空间点P，已知成像点pl，那么对应的匹配点pr一定位于相对于pl的极线50上，这就将搜索范围从一个二维的区间压缩到了一个一维的线段，大大降低了计算量，并可以得出成像面上的所有极线50都相交于极点。
在极线约束下虽然匹配范围缩小到了一个一维的线段，但是实际计算起来还是不方便，而且即使找到匹配点，将视差转化为深度也比较繁琐，这种情况下，可以通过双目系统的标定方法，得到内外参矩阵和外参矩阵，使用红外接收相机的内外参对待匹配的视图进行矫正，示例性地，内参矩阵可以调节焦距以及畸变情况，外参矩阵可以调节坐标系下的位置，使得待匹配的视图的极线50重合，一般情况下通过极线50的校正，可以使最终图像的极线50与基线方向保持一致。此外，为了保证不同组红外光斑图中散斑点分布沿极线50方向的差异性，以及差异性越大越好，红外光斑掩膜版的移动方向与两个红外接收相机的极线50的延伸方向应保持不平行。图9是本发明实施例提供的一种图案编码投射器发射的红外光斑的示意图，如图9所示，X方向为红外光斑图的极线50方向，示例性地，图案编码投射器10发射的红外光斑图的区域601为在红外光斑掩膜版的整体图案形状60中选取的一个窗口区域，若红外光斑掩膜版的移动方向与两个红外接收相机的极线50的延伸方向平行，则接收器20采集到的不同组红外光斑图的散斑点分布沿X方向差异性较小，两种红外光斑图中红外光斑的特征或数据差别较小，所包含的匹配信息较少，匹配窗口和像素匹配点对的寻找的误差较大，深度图的输出较粗糙；而红外光斑掩膜版的移动方向与两个红外接收相机的极线50的延伸方向不平行，图案编码投射器10发射的红外光斑图的区域601移动至区域602时，接收器20采集到的红外光斑图与图案编码投射器10发射的红外光斑图沿X方向差异性较大，两种红外光斑图中红外光斑的特征或数据差别较大，所包含的匹配信息较多，匹配子窗口和像素匹配点对时误差较小，深度图的输出较精确。
图10是本发明实施例提供的一种结构光测量方法的流程示意图，如图10所示，该结构光测量方法应用于如上述实施例任一项所述的结构光测量系统中，该测量方法包括：
S110、依次发射多种不同的红外光斑图。
具体地，继续参考图1，图案编码投射器10可以向外依次发射多种不同的红外光斑图至待测物体表面，其中，该红外光斑图包括多个红外光斑点，每个红外光斑点之间存在一定的间隔。具体地，图11是本发明实施例提供的一种结构光测量系统的工作过程示意图，如图11所示，该步骤具体为在每个输出帧中的多个子帧中分别发射不同的红外光斑图，其中，该结构光测量系统在1s时间内可以输出5帧深度图，每帧时间内实际包括4帧子帧，每个子帧发射一种红外光斑图。参考图1、图3和图4，实际工作过程中，每个输出帧的多个子帧分别发射不同的红外光斑图的过程可包括：在每个输出帧中的多个子帧中分别发射不同的红外光斑图之前，利用位置移动装置移动红外光斑掩膜的位置以形成不同的红外光斑图。
S120、获取多组红外光斑图，每组红外光斑图包括同步采集的一种第一红外光斑图和一种第二红外光斑图，第一红外光斑图与第二红外光斑图分别由不同的红外接收相机采集获得。
具体地，继续参考图1，接收器20包括两个红外接收相机，两个红外接收相机可以同步采集经待测物体表面反射的红外光斑图，形成多组红外光斑图，每组红外光斑图包括同步采集的一种第一红外光斑图和一种第二红外光斑图，其中，第一红外光斑图与第二红外光斑图分别由不同的红外接收相机采集获得。
继续参考图11，具体地，此步骤实际可包括：依次在每个输出帧的多个子帧中同步采集第一红外光斑图和第二红外光斑图，得到多组红外光斑图。下面对上述步骤S110和S120的实际执行步骤进行介绍：
输出第一子帧像素匹配数据时，供给至音圈马达的电流为0，红外光斑掩膜版位于初始位置不变，图案编码投射器打光向被测物体投射红外光斑，红外接收相机设置固定的曝光时间采集待测物体表面的红外光斑图，两个红外接收相机可以同步采集并得到一组红外光斑图，输出至数据处理模块。之后通过马达驱动芯片调节提供给音圈马达的电流大小，并提供第一电流给音圈马达，音圈马达推动可移动支架从而带动红外光斑掩膜版向前推移第一距离，示例性地，第一距离可以为5um，待音圈马达稳定下来后，两个红外接收相机可以同步采集并得到一组红外光斑图，输出至数据处理模块。以此类推，音圈马达在每个子帧根据电流控制推动红外光斑掩膜版移动，以形成不同的红外光斑图出射。
S130、以预设子窗口为匹配子窗口，利用多组红外光斑图在第二红外光斑图中寻找第一红外光斑图中像素的匹配点，获得像素匹配点对。
具体地，继续参考图1，对于第一红外光斑图中的匹配子窗口，在同步采集的第二红外光斑图中寻找与该匹配子窗口相匹配的子窗口，该相匹配的子窗口包括与待匹配像素点相匹配的像素点，两个相匹配的像素点构成像素匹配点对。
S140、计算像素匹配点对之间的偏移量，并根据像素匹配点对之间的偏移量，获得深度图。
具体地，继续参考图1，数据处理模块30还可以根据像素匹配点对之间的偏移量，确定该待匹配像素点的深度值，并将红外光斑图中所有的像素点的深度值进行综合以获得该待测物体的深度图。
可选地，以预设子窗口为匹配子窗口，利用多组红外光斑图在第二红外光斑图中寻找第一红外光斑图中像素的匹配点，获得像素匹配点对之前，还包括：利用两个红外接收相机的内外参矩阵，对每组红外光斑图中的第一红外光斑图和第二红外光斑图进行校正。具体地，可以通过双目系统的标定方法，得到内外参矩阵和外参矩阵，使用红外接收相机的内外参对每组红外光斑图中的第一红外光斑图和第二红外光斑图进行矫正，示例性地，内参矩阵可以调节焦距以及畸变情况，外参矩阵可以调节坐标系下的位置，使得待匹配的视图的极线重合，一般情况下通过极线的校正，可以使最终图像的极线与基线方向保持一致，即将两个红外接收相机的采集方向调节平行。
图12是本发明实施例提供的另一种结构光测量方法的流程示意图，本实施例在上述实施例的基础上对步骤S130地细化。该结构光测量方法应用于如上述实施例任一项所述的结构光测量系统中，尚未详尽的内容请参考上述实施例，在此不再赘述，如图12所示，该测量方法包括：
S210、依次发射多种不同的红外光斑图。
S220、获取多组红外光斑图，每组红外光斑图包括同步采集的一种第一红外光斑图和一种第二红外光斑图，第一红外光斑图与第二红外光斑图分别由不同的红外接收相机采集获得。
S230、在每组红外光斑图中，以第一红外光斑图中待匹配像素点的邻域区域选取预设子窗口。
具体地，图13A是本发明实施例提供的一种第一红外光斑的示意图，如图13A所示，在第一红外光斑图中的待匹配像素点的邻域区域选取预设子窗口，示例性地，预设子窗口可以为a，预设子窗口也可以为b，其中，预设子窗口a的尺寸小于预设子窗口b的尺寸。
S240、在极线方向上，以与预设子窗口相同尺寸的子窗口在第二红外光斑图中寻找相似的子窗口作为匹配子窗口，并计算各相似的子窗口与预设子窗口的相似度。
具体地，图13B是本发明实施例提供的一种第二红外光斑的示意图，如图13A和图13B所示的同步采集的第一红外光斑图和第二红外光斑图为一组红外光斑图，第一红外光斑图与第二红外光斑图分别由不同的红外接收相机采集获得。在极线方向上，以与预设子窗口相同尺寸的子窗口在第二红外光斑图中寻找相似的子窗口作为匹配子窗口，示例性地，当预设子窗口为a时，在第二红外光斑图中沿极线方向可以寻找到子窗口a1和子窗口a2，子窗口a1和子窗口a2均与预设子窗口a相似，需要计算子窗口a1和子窗口a2分别与预设子窗口a的相似度，以进一步确定最佳相似子窗口。需要说明的是，对于单张第一红外光斑图中的待匹配像素点的邻域区域选取预设子窗口，在第二红外光斑图中沿极线方向寻找相似的子窗口时，可能存在多个相似的子窗口，并不能得出准确的深度信息，可以通过增加预设子窗口的尺寸以提高深度信息的准确性，示例性地，当预设子窗口由a增加为b时，预设子窗口b中包含的信息量较预设子窗口a更丰富，在第二红外光斑图中沿极线方向寻找到相似的子窗口的概率会大大减小，即在第二红外光斑图中沿极线方向可以寻找到子窗口b1，可有效保证匹配子窗口的唯一性。此外，当预设子窗口的尺寸越大，最终得出的深度信息越粗糙(在算法中会假定同一个子窗口中所有的像素点的深度值相同)，物体细节部分的深度信息越模糊。
进一步地，可以通过音圈马达产生推拉力从而带动可移动支架的运动，进而使红外光斑掩膜版移动至不同的位置，该图案编码投射器可以发射不同的红外光斑图，图14A是本发明实施例提供的另一种第一红外光斑的示意图，图14B是本发明实施例提供的另一种第二红外光斑的示意图，如图14A和图14B所示的同步采集的第一红外光斑图和第二红外光斑图为一组红外光斑图，第一红外光斑图与第二红外光斑图分别由不同的红外接收相机采集获得。示例性地，在第一红外光斑图中的待匹配像素点的邻域区域选取预设子窗口可以为a，在极线方向上，以与预设子窗口相同尺寸的子窗口在第二红外光斑图中寻找相似的子窗口作为匹配子窗口，在第二红外光斑图中沿极线方向可以寻找到子窗口a1和子窗口a2，但子窗口a1与预设子窗口a的相似度更高。同样，在第一红外光斑图中的待匹配像素点的邻域区域选取预设子窗口也可以为c，在极线方向上，以与预设子窗口相同尺寸的子窗口在第二红外光斑图中寻找相似的子窗口作为匹配子窗口，在第二红外光斑图中沿极线方向可以寻找到子窗口c1和子窗口c2，子窗口c1和子窗口c2均与预设子窗口c相似，需要计算子窗口c1和子窗口c2分别与预设子窗口c的相似度，以进一步确定最佳相似子窗口。
S250、根据各组红外光斑图中各相似的子窗口的相似度，确定最佳相似子窗口。
可选地，根据各组红外光斑图中各相似的子窗口的相似度，确定最佳相似子窗口，包括：计算各组红外光斑图中同一位置的子窗口的相似度之和，或者，计算各组红外光斑图中同一位置的子窗口的加权相似度之和，或者，确定各组红外光斑图中同一位置的子窗口的最大相似度；以相似度之和最大的子窗口或加权相似度之和最大的子窗口或最大相似度最大的子窗口为最佳相似子窗口。
具体地，在第一红外光斑图中的待匹配像素点的邻域区域选取的预设子窗口，在极线方向上，以与预设子窗口相同尺寸的子窗口在第二红外光斑图中可以寻找多个相似的子窗口作为匹配子窗口，需要计算各相似的子窗口与预设子窗口的相似度，以最佳相似子窗口。示例性地，继续参考图13A和图13B，将第一红外光斑图中的预设子窗口和第二红外光斑图中的相似的子窗口进行计算匹配时的相似度，则对于预设子窗口a，对应的子窗口a1处相似度为0.9，对应的子窗口a2处相似度为0.9。继续参考图14A和图14B，将第一红外光斑图中的预设子窗口和第二红外光斑图中的相似的子窗口进行计算匹配时的相似度，则对于预设子窗口a，对应的子窗口a1处相似度为0.9，对应的子窗口a2处相似度为0.1。之后计算各组红外光斑图中同一位置的子窗口的相似度之和，最终预设子窗口a对应的子窗口a1处相似度之和为1.8，预设子窗口a对应的子窗口a2处相似度之和为1，预设子窗口a对应的子窗口a1处相似度之和大于预设子窗口a对应的子窗口a2处相似度之和，则可判定子窗口a1为预设子窗口a的最佳相似子窗口，在子窗口a1和子窗口a可以得到对应像素点的深度值，继而完成整幅图的深度图输出。此外，在保证了深度计算准确性的前提下，可以选择更小的子窗口进行匹配，可有效增加深度图的细节还原能力。而且，图13A和图13B所示的一组红外光斑图和图14A和图14B所示的另一组红外光斑图的数量在此只是举例，不作限定，可以计算多组红外光斑图中同一位置的子窗口的相似度之和，以确定最佳相似子窗口，也可以计算多组红外光斑图中同一位置的子窗口的加权相似度之和，以确定最佳相似子窗口，也可以计算多组红外光斑图中同一位置的子窗口的最大相似度，以确定最佳相似子窗口。
S260、在最佳相似子窗口中确定与第一红外光斑图中待匹配像素点匹配的像素点，得到像素匹配点对。
具体地，基于上述步骤，可以通过多组红外光斑图获得一组相互匹配的子窗口，以此相互匹配的两个子窗口中可确定出两个匹配像素点，即可在同组红外光斑图中的第二红外光斑图中，确定出与第一红外光斑图待匹配像素点的相匹配的像素点，待匹配像素点与对应的匹配像素点为一组像素匹配点对。
S270、计算像素匹配点对之间的偏移量，并根据像素匹配点对之间的偏移量，获得深度图。
图15是本发明实施例提供的又一种结构光测量方法的流程示意图，本实施例在上述实施例的基础上对步骤S130地细化。该结构光测量方法应用于如上述实施例任一项所述的结构光测量系统中，尚未详尽的内容请参考上述实施例，在此不再赘述，如图15所示，该测量方法包括：
S310、依次发射多种不同的红外光斑图。
S320、获取多组红外光斑图，每组红外光斑图包括同步采集的一种第一红外光斑图和一种第二红外光斑图，第一红外光斑图与第二红外光斑图分别由不同的红外接收相机采集获得。
S330、将多组红外光斑图中的多种第一红外光斑图融合得到第一光斑融合图，将多组红外光斑图中的多种第二红外光斑图融合得到第二光斑融合图。
具体地，图16A是图13A和图14A融合后的第一光斑融合的示意图，图16B是图13B和图14B融合后的第二光斑融合的示意图，如图16A和图16B所示，可以得出第一光斑融合图和第二光斑融合图中的光斑密度更大，且第一光斑融合图和第二光斑融合图的散斑点分布在极线方向上的差异较未融合之前的第一红外光斑图和第二红外光斑图的差异更大。而且，此处将两种第一红外光斑图融合得到第一光斑融合图，将两种第二红外光斑图融合得到第二光斑融合图，在此只是举例，不作限定。
S340、以第一光斑融合图中待匹配像素点的邻域区域选取预设子窗口。
具体地，继续参考图16A，在第一光斑融合图中的待匹配像素点的邻域区域选取预设子窗口，示例性地，预设子窗口可以为a，预设子窗口也可以为c，其中，预设子窗口a的区域位置与预设子窗口c的区域位置不同。
S350、在极线方向上，以与预设子窗口相同尺寸的子窗口在第二光斑融合图中寻找最相似的子窗口作为最佳匹配子窗口。
具体地，继续参考图16A和图16B，在极线方向上，以与预设子窗口相同尺寸的子窗口在第二光斑融合图中可以寻找到最相似的子窗口作为最佳匹配子窗口，示例性地，预设子窗口a与对应的子窗口a1之间的相似度计算值更大，则子窗口a1为最相似的子窗口，预设子窗口c对应的子窗口c1之间的相似度计算值更大，则子窗口c1为最相似的子窗口。相比于在未融合之前的一组红外光斑图中，无法确定子窗口a1和子窗口a2中的最佳匹配子窗口，无法确定子窗口c1和子窗口c2中的最佳匹配子窗口，由此通过将多组红外光斑图中的多种第一红外光斑图融合得到第一光斑融合图，将多组红外光斑图中的多种第二红外光斑图融合得到第二光斑融合图，再将对应的第一光斑融合图和第二光斑融合图进行相似度的匹配计算，可以准确得到最佳匹配子窗口。此外，在保证了深度计算准确性的前提下，可以选择更小的子窗口来匹配，增加深度图的细节还原能力。
S360、在最佳匹配子窗口中确定与第一光斑融合图中待匹配像素点匹配的像素点，得到像素匹配点对。
具体地，在第一光斑融合图中的预设子窗口中可以得到待匹配像素点，在第二光斑融合图中的最佳相似子窗口中可以得到对应的匹配像素点，待匹配像素点与对应的匹配像素点为一组像素匹配点对。
S370、计算像素匹配点对之间的偏移量，并根据像素匹配点对之间的偏移量，获得深度图。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种结构光测量系统，其特征在于，包括：
图案编码投射器，用于依次发射多种不同的红外光斑图；
接收器，包括两个红外接收相机，两个所述红外接收相机分别用于同步采集所述红外光斑图，形成多种第一红外光斑图和多种第二红外光斑图，同步采集的一种所述第一红外光斑图和一种所述第二红外光斑图组成一组红外光斑图；
数据处理模块，用于以预设子窗口为匹配子窗口，利用多组红外光斑图在所述第二红外光斑图中寻找所述第一红外光斑图中像素的匹配点，获得像素匹配点对，还用于计算所述像素匹配点对之间的偏移量，并根据所述像素匹配点对之间的偏移量，获得深度图。
2.根据权利要求1所述的结构光测量系统，其特征在于，所述图案编码投射器包括红外光源、位置移动装置和红外光斑掩膜版，所述红外光斑掩膜版位于所述红外光源的出射光路上，所述位置移动装置与所述红外光斑掩膜版机械连接；
所述位置移动装置用于移动所述红外光斑掩膜版的位置以使所述图案编码投射器投射出不同的所述红外光斑图。
3.根据权利要求2所述的结构光测量系统，其特征在于，所述图案编码投射器还包括准直镜和投射物镜透镜组，所述准直镜、所述红外光斑掩膜版和所述投射物镜透镜组依次位于所述红外光源的出射光路上。
4.根据权利要求2所述的结构光测量系统，其特征在于，所述位置移动装置包括音圈马达和可移动支架；
所述可移动支架包括相互背离的第一端和第二端，所述第一端与所述音圈马达通过螺纹连接，所述第二端呈平板结构且设置有贯穿槽；所述红外光斑掩膜版固定于所述第二端的所述贯穿槽中。
5.根据权利要求2所述的结构光测量系统，其特征在于，所述红外光斑掩膜版的移动方向与两个所述红外接收相机的极线的延伸方向不平行；
其中，所述红外接收相机的极线为物点与两个所述红外接收相机的光心形成的极平面与两个所述红外接收相机的像平面相交的直线。
6.一种结构光测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1-5任一项所述的结构光测量系统中，该测量方法包括：
依次发射多种不同的红外光斑图；
获取多组红外光斑图，每组红外光斑图包括同步采集的一种第一红外光斑图和一种第二红外光斑图，所述第一红外光斑图与所述第二红外光斑图分别由不同的红外接收相机采集获得；
以预设子窗口为匹配子窗口，利用多组红外光斑图在所述第二红外光斑图中寻找所述第一红外光斑图中像素的匹配点，获得像素匹配点对；
计算所述像素匹配点对之间的偏移量，并根据所述像素匹配点对之间的偏移量，获得深度图。
7.根据权利要求6所述的结构光测量方法，其特征在于，以预设子窗口为匹配子窗口，利用多组红外光斑图在所述第二红外光斑图中寻找所述第一红外光斑图中像素的匹配点，获得像素匹配点对，包括：
在每组红外光斑图中，以所述第一红外光斑图中待匹配像素点的邻域区域选取所述预设子窗口；
在极线方向上，以与所述预设子窗口相同尺寸的子窗口在第二红外光斑图中寻找相似的子窗口作为匹配子窗口，并计算各相似的子窗口与所述预设子窗口的相似度；
根据各组红外光斑图中各相似的子窗口的相似度，确定最佳相似子窗口；
在所述最佳相似子窗口中确定与所述第一红外光斑图中待匹配像素点匹配的像素点，得到所述像素匹配点对。
8.根据权利要求7所述的结构光测量方法，其特征在于，根据各组红外光斑图中各相似的子窗口的相似度，确定最佳相似子窗口，包括：
计算各组红外光斑图中同一位置的子窗口的相似度之和，或者，计算各组红外光斑图中同一位置的子窗口的加权相似度之和，或者，确定各组红外光斑图中同一位置的子窗口的最大相似度；
以相似度之和最大的子窗口或加权相似度之和最大的子窗口或最大相似度最大的子窗口为最佳相似子窗口。
9.根据权利要求6所述的结构光测量方法，其特征在于，以预设子窗口为匹配子窗口，利用多组红外光斑图在所述第二红外光斑图中寻找所述第一红外光斑图中像素的匹配点，获得像素匹配点对，包括：
将多组红外光斑图中的多种第一红外光斑图融合得到第一光斑融合图，将多组红外光斑图中的多种第二红外光斑图融合得到第二光斑融合图；
以所述第一光斑融合图中待匹配像素点的邻域区域选取所述预设子窗口；
在极线方向上，以与所述预设子窗口相同尺寸的子窗口在所述第二光斑融合图中寻找最相似的子窗口作为最佳匹配子窗口；
在所述最佳匹配子窗口中确定与所述第一光斑融合图中待匹配像素点匹配的像素点，得到所述像素匹配点对。
10.根据权利要求6所述的结构光测量方法，其特征在于，依次发射多种不同的红外光斑图，包括：
在每个输出帧中的多个子帧中分别发射不同的所述红外光斑图；
获取多组红外光斑图，包括：
依次在每个输出帧的多个子帧中同步采集所述第一红外光斑图和所述第二红外光斑图，得到所述多组红外光斑图。
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