CN1700038A - 无扫描器脉冲调制式三维成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无扫描器脉冲调制式三维成像方法和系统。脉冲激光器发出光脉冲照明被测场景；反射光经成像系统输入至功能光接收器；其输出接摄像机组；摄像机组的输出接图像处理装置；调制信号控制器的一路控制脉冲激光器或者探测激光脉冲；一路控制功能光接收器组和摄像机组，同时将信号传输给图像处理装置。功能光接收器的增益为时间变量函数。通过获得两幅或两幅以上不同强度激光脉冲照明或功能光接收器的增益为不同时间变量函数的条件下的强度图像，通过计算生成一幅三维图像。该测距系统没有机械扫描部件。本发明对脉冲光源稳定性要求低，像增强器调制简单；具有成本低，抗背景光干扰能力强，可测距离长，精度高，可达视频帧率三维成像。

Description

无扫描器脉冲调制式三维成像方法及系统

技术领域

本发明涉及三维成像或称成像测距领域，尤其涉及一种无扫描器脉冲调制式三维成像方法及系统。

背景技术

测距技术随着人类社会、科学技术的不断进步和发展，人们对信息获取的要求越来越高。二维成像技术已经比较成熟，但它们只能获取二维图像信息，而真实世界是三维空间，二维图像不足以充分表达所有信息。三维的成像显示技术将可以大大促进相关探测，模拟和娱乐等方面的发展。在三维成像系统中，以光学三维成像的分辨率最高。但传统的光学三维成像系统如传统的激光成像雷达，需要机械扫描装置，这使得系统在实时性，抗振、体积、功耗等方面的性能均难以有突破性的提高。所以发展无扫描器的三维成像技术是人们关注的焦点之一。

美国Sandia公司发明了SRI(scannerless range imaging)无扫描器三维成像技术。其特点是具有相位测距法的高距离分辨率和现成的像增强器+CCD的高像素的优点；但其采用连续光源，测距范围受到局限，在背景光较强时效果不佳。美国Aret Associates公司发明了STIL(Streak Tube Imaging Lidar)无扫描器三维成像技术。因为该方法的可成像距离较远，但在一定象素率的CCD阵列条件下，距离的分辨率(级数)和空间分辨率成反比，因此距离测量精度和空间分辨率不可兼得。另外，美国林肯实验室、瑞士电子与微技术研究中心等研究机构正在开发基于高速光脉冲响应的集成电路的无扫描器三维成像技术，该方法可探测距离远，但目前其测距精度稍低，空间分辨率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无扫描器脉冲调制式三维成像方法及系统。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一、无扫描器脉冲调制式三维成像方法：

采用脉冲激光器光源，光脉冲经扩束系统照亮目标后被光学成像系统接收并成像在受控的功能光接收器组接收面上，用摄像机组收集功能光接收器组的输出光信号，对同一场景，在不同强度的光脉冲照明或功能光接收器的增益为不同时间变量函数的条件下，获取两幅或两幅以上强度图像，在脉冲激光器光输出端用分束装置分束部分光能并对之进行测量，将测量值作为修正光强值；用图像处理模块对收集到的图像系列中的每个像素点光强数值和修正光强值进行运算处理，计算出图像中每一个象素点对应场景的距离，生成三维图像。

二、无扫描器脉冲调制式三维成像系统：

包括脉冲激光器，扩束系统，光纤修正装置，成像装置，功能光接收器组，摄像机组，调制信号控制器，图像处理装置。驱动脉冲激光器发出脉冲通过扩束系统后，分成两部分，一部分光照明被测场景，通过成像装置进入功能光接收器组，另一部分光经光纤修正装置接功能光接收器组，功能光接收器组输出经摄像机组与图像处理装置电连接，调制信号控制器分别与功能光接收器组、摄像机组和图像处理装置电连接；调制信号控制器与脉冲激光器电连接、或者脉冲激光器发出的光脉冲经第一分束镜接调制信号控制器。

本发明具有的有益的效果是：脉冲激光器发出光脉冲照明被测场景；反射光经成像系统输入至功能光接收器；其输出接摄像机组；摄像机组的输出接图像处理装置；调制信号控制器的一路控制脉冲激光器或者探测激光脉冲；一路控制功能光接收器组和摄像机组，同时将信号传输给图像处理装置。功能光接收器的增益为时间变量函数。通过获得两幅或两幅以上不同强度激光脉冲照明或功能光接收器的增益为不同时间变量函数的条件下的强度图像，通过计算生成一幅三维图像。该测距系统没有机械扫描部件。本发明对脉冲光源稳定性要求低，像增强器调制简单；具有成本低，抗背景光干扰能力强，可测距离长，精度高，可达视频帧率三维成像的优点。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图；

图2(a)是像增强器增益为常数时间变量函数时的增益随时间变化曲线；

图2(b)是像增强器增益为线性时间变量函数时的增益随时间变化曲线。

具体实施方式

无扫描器脉冲调制式三维成像方法：采用脉冲激光器光源，光脉冲经扩束系统照亮目标后被光学成像系统接收并成像在受控的功能光接收器组接收面上，用摄像机组收集功能光接收器组的输出光信号，对同一场景，在不同强度的光脉冲照明或功能光接收器的增益为不同时间变量函数的条件下，获取两幅或两幅以上强度图像，在脉冲激光器光输出端用分束装置分束部分光能并对之进行测量，将测量值作为修正光强值；用图像处理模块对收集到的图像系列中的每个像素点光强数值和修正光强值进行运算处理，计算出图像中每一个象素点对应场景的距离，生成三维图像。

如图1所示，无扫描器脉冲调制式三维成像系统：包括脉冲激光器1，扩束系统2，光纤修正装置3，成像装置4，功能光接收器组5，摄像机组6，调制信号控制器7，图像处理装置8。驱动脉冲激光器1发出脉冲通过扩束系统2后，分成两部分，一部分光照明被测场景，通过成像装置4进入功能光接收器组5，另一部分光经光纤修正装置3接功能光接收器组5，功能光接收器组5输出经摄像机组6与图像处理装置8电连接，调制信号控制器7分别与功能光接收器组5、摄像机组6和图像处理装置8电连接；调制信号控制器7与脉冲激光器1电连接、或者脉冲激光器1发出的光脉冲经第一分束镜1.1接调制信号控制器7。

所述的脉冲激光器1是Nd:YAG脉冲激光器或喇曼位移的Nd:YAG脉冲激光器。

所述的扩束系统2是激光扩束镜。

所述光纤修正装置3是由第二分束镜3.1经长短不同光纤组成的光纤束和光衰减器3.2组成，另一部分光经第二分束镜3.1、光衰减器3.2接功能光接收器组5。

所述的成像装置4是装有窄带滤波片的照相机镜头或光学成像镜头组。

所述的功能光接收器组5是一个或多个(一般为2-4个)普通微通道板像增强器MCP或者由若干单独可调制部分组成的复合型MCP。

所述的摄像机组6是一个或多个普通的摄像机或高速摄像机。

所述的图像处理装置8是个人计算机、DSP数字信号处理系统或者嵌入式处理器。

三维测距成像方法：

光从脉冲激光器出发经场景反射到成像装置所经过的时间t和场景到成像装置的距离x有如下关系：t＝2x/V  (1)

V为该种波长的光在介质中的传播速度。在有光脉冲照明场景、噪音和背景光相对可忽略，光脉冲的持续时间相对非常短且每个脉冲的能量基本相等，场景在测量时间内基本不变化的情况下，对功能光接收器施加的调制分别为f₁(t)和f₂(t)，在摄像机接采集到的图像中第y行z列个像素的光能有：

I₁＝rf₁(t)I_p  (2)

I₂＝rf₂(t)I_p  (3)

其中r为与第y，z个像素对应的场景和光介质有关的比例常数，I_p为光脉冲能量。

因此由(1)，(2)，(3)可以求出： $x=g^{-1}\left(\frac{I_2}{I_1}\right)---\left(4\right)$

其中 $g\left(x\right)=\frac{f_2(2x/V)}{f_1(2x/V)}---\left(5\right)$

为g(x)的逆函数。

容易看出，只要g(x)在测量区间内是一致单调函数，就可以保证x有唯一数值，从而由(4)式得到对应像素点的距离信息，最终生成三维图像。

但光脉冲的持续时间往往不可忽略，每次的脉冲功率形状和能量也有变化，背景光和系统噪音会造成测量精度的下降。因此，要获得较高精度的距离图像可以采用增加强度图像的数目、选择合适的照明条件、功能光接收器增益时间变量函数和采用实时修正值的办法。一种具体的方案见具体实施方式。

生成一幅三维图像实际上分成两个步骤：第一步是收集到数幅在不同种条件下获得的强度图像和实时修正光强值；第二步通过对修正光强值和各个象素点的光强进行运算获得每个象素点对应场景的距离，生成一幅三维图像。一幅强度图像是在确定的某种强度范围的光脉冲照亮场景和确定的功能光接收器增益时间变量函数状态下，通过一次或多次曝光得到的。在获得一幅强度图像的同时，其中的一些由光纤修正系统曝光的象素点光强值被用作修正光强值。如果功能光接收器组由多个功能光接收器或是由数个可单独调制部分组成的功能光接收器，强度图像的每次曝光可采用交错方式；这样可以提高三维成像的帧率并减少场景变化的影响。

下面以一个用四幅强度图像和修正光强值的例子说明：

MCP的输出光强与输入光强和增益乘积成正比。在设定MCP为固定增益的情况下，对场景在有光脉冲照明和没有光脉冲照明(即脉冲强度为0)条件下各摄制一幅强度图像。在设定MCP增益为线性增时间变量函数的情况下，对场景在有光脉冲照明和没有光脉冲照明条件下各摄制一幅强度图像。强度图像时是通过一次或若干次曝光获得的。获得四幅强度图像和修正光强值后，可以计算出一幅距离图像。

1、在场景被光脉冲照明，MCP的增益为常数时间变量函数时(如图2a所示)的情况下，摄像机获得的强度图像中某象素点光能E₁可以表示如下：

E₁＝A(rE_P1+I_bT_G)+E_N1  (6)其中A为MCP的增益，r为某个常数，与该象素点对应的场景和光脉冲经过的光介质有关，E_P1为该次光脉冲的总能量数值，I_b为该点对应场景的背景光功率，T_G为固定增益的时间长度，E_N1为在该条件下的系统和背景在该象素点的噪音造成的等效光能。

2、在没有光脉冲照明，MCP的增益为固定的情况下，同一象素点光能E₂可表示如下：

E₂＝AI_bT_G+E_N1  (7)

3、在场景被光脉冲照明，MCP被施加线性调制(如图2b所示)的情况下，同一象素点光能E₃可以表示如下：

$E_3=\underset{0}{\overset{T_G}{\∫}}{I}_b(B+\mathrm{kt})\mathrm{dt}+\underset{0}{\overset{T_{p2}}{\∫}}r{I}_{p2}\left(t\right)(B+\frac{A-B}{R}x+\mathrm{kt})\mathrm{dt}+E_{N2}---\left(8\right)$

其中B为线性调制开始时的MCP增益值，k为线性调制函数的斜率，I_p2(t)为该次脉冲光功率的时间分布函数，x为该象素点对应场景的距离，R为测量的最大距离，E_N2为在该条件下的系统和背景在该象素点的噪音造成的等效光能。

4、在没有光脉冲照明，MCP被施加线性调制的情况下，同一象素点光能E₄可以表示如下：

$E_4=\underset{0}{\overset{T_G}{\∫}}{I}_b(B+\mathrm{kt})\mathrm{dt}{+E}_{N2}---\left(9\right)$

5、在有光脉冲照明，MCP的增益为固定的情况下，平均光程为L1光纤连接处对应的象素点的光能

为：

$E_1^{L1}=\mathrm{\αA}{E}_{P1}+E_{N3}---\left(10\right)$

其中α与光纤系统有关，E_N3为在该条件下的系统和背景在该象素点的噪音造成的等效光能。

6、在没有光脉冲照明，MCP的增益为固定的情况下，平均光程为L1光纤连接处对应的象素点的光能 为：

$E_2^{L1}=E_{N3}---\left(11\right)$

7、在有光脉冲照明，MCP被施加线性调制的情况下，平均光程为L1光纤连接处对应的象素点的光能 为：

$E_3^{L1}=\underset{0}{\overset{T_{p2}}{\∫}}\mathrm{\α}{I}_{p2}(B+\frac{A-B}{2R}L1+\mathrm{kt})\mathrm{dt}{+E}_{N4}---\left(12\right)$

E_N4为在该条件下的系统和背景在该象素点的噪音造成的等效光能。

8、在没有光脉冲照明，MCP被施加线性调制的情况下，平均光程为L1光纤连接处对应的象素点的光能

为：

$E_4^{L1}=E_{N4}---\left(13\right)$

9、类似的，平均光程为L2的光纤对应象素点在和平均光程为L2的光纤连接处对应象素点在四种不同条件下获取的4个光能值分别为：

$E_1^{L2}=\mathrm{\αA}{E}_{P1}+E_{N5}---\left(14\right)$

$E_2^{L2}=E_{N5}---\left(15\right)$

$E_3^{L2}=\underset{0}{\overset{T_{p2}}{\∫}}\mathrm{\α}{I}_{p2}(B+\frac{A-B}{2R}L2+\mathrm{kt})\mathrm{dt}{+E}_{N6}---\left(16\right)$

$E_4^{L2}=E_{N6}---\left(17\right)$

E_N5，E_N6为在该条件下的系统在该象素点的噪音造成的等效光能。根据以上(6)到(17)式，可以求出：

$x=\frac{(E_1^{L2}-E_2^{L2})(E_3-E_4)(L2-L1)+(E_1-E_2)[(E_3^{L1}-E_4^{L1})L2-(E_3^{L2}-E_4^{L2})L1]}{2[(E_3^{L1}-E_4^{L1})-(E_3^{L2}-E_4^{L2})](I_1-I_2)}---\left(18\right)$

L1，L2是可预先测量或标定的，设计时应该使L1接近R，L2大约为2R。一旦确定L1，L2以后，就可以通过(13)式计算出每一象素点对应场景的距离，在该方案中，每获得四幅强度图像生成一幅距离图像。

Claims (7)

1、一种无扫描器脉冲调制式三维成像方法，其特征在于：采用脉冲激光器光源，光脉冲经扩束系统照亮目标后被光学成像系统接收并成像在受控的功能光接收器组接收面上，用摄像机组收集功能光接收器组的输出光信号，对同一场景，在不同强度的光脉冲照明或功能光接收器的增益为不同时间变量函数的条件下，获取两幅或两幅以上强度图像，在脉冲激光器光输出端用分束装置分束部分光能并对之进行测量，将测量值作为修正光强值；用图像处理模块对收集到的图像系列中的每个像素点光强数值和修正光强值进行运算处理，计算出图像中每一个象素点对应场景的距离，生成三维图像。

2、用于权利要求1所述的一种无扫描器脉冲调制式三维成像系统，其特征在于：包括脉冲激光器(1)，扩束系统(2)，光纤修正装置(3)，成像装置(4)，功能光接收器组(5)，摄像机组(6)，调制信号控制器(7)，图像处理装置(8)；驱动脉冲激光器1发出脉冲通过扩束系统(2)后，分成两部分，一部分光照明被测场景，通过成像装置(4)进入功能光接收器组(5)，另一部分光经光纤修正装置(3)接功能光接收器组(5)，功能光接收器组(5)输出经摄像机组(6)与图像处理装置(8)电连接，调制信号控制器(7)分别与功能光接收器组(5)、摄像机组(6)和图像处理装置(8)电连接；调制信号控制器(7)与脉冲激光器(1)电连接、或者脉冲激光器(1)发出的光脉冲经第一分束镜(1.1)接调制信号控制器(7)。

3、根据权利要求2所述的一种无扫描器脉冲调制式三维成像系统，其特征在于：所说述光纤修正装置(3)是由第二分束镜(3.1)经长短不同光纤组成的光纤束和光衰减器(3.2)组成，另一部分光经第二分束镜(3.1)、光衰减器(3.2)接功能光接收器组(5)。

4、根据权利要求2所述的一种无扫描器脉冲调制式三维成像系统，其特征在于：所述的成像装置(4)是装有窄带滤波片的照相机镜头或光学成像镜头组。

5、根据权利要求2所述的一种无扫描器脉冲调制式三维成像系统，其特征在于：所述的功能光接收器组(5)是一个或多个普通微通道板像增强器MCP或者由若干单独可调制部分组成的复合型MCP。

6、根据权利要求2所述的一种无扫描器脉冲调制式三维成像系统，其特征在于：所述的摄像机组(6)是一个或多个普通的摄像机或高速摄像机。

7、根据权利要求2所述的一种无扫描器脉冲调制式三维成像系统，其特征在于：所述的图像处理装置(8)是个人计算机、DSP数字信号处理系统或者嵌入式处理器。