本發(fā)明實(shí)施例涉及一種高速結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)光成像技術(shù)是一種常用的信號(hào)采集技術(shù)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光成像技術(shù)使用數(shù)字微鏡陣列(dmd)來(lái)對(duì)激光光源進(jìn)行空間調(diào)制，以生成測(cè)量所需的特定結(jié)構(gòu)光圖案序列。
但是，這種方法有很大的缺陷，那就是數(shù)字微鏡陣列通常是微機(jī)械結(jié)構(gòu)或者液晶裝置，這使得微鏡陣列在調(diào)整隨機(jī)矩陣的時(shí)候速度過(guò)慢，成像速度大大降低，不超過(guò)100幀/秒，這使得單像素成像系統(tǒng)只能用來(lái)拍攝靜止或者準(zhǔn)靜止的圖像，而不能獲取高速圖像和視頻，嚴(yán)重限制了結(jié)構(gòu)光三維成像的應(yīng)用范圍。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種高速結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)以及與該系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的高速結(jié)構(gòu)光三維成像方法，以解決上述技術(shù)問(wèn)題。
根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例，提供了一種高速結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)，包括：高速結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光圖案，并作為光源投影到目標(biāo)物體；光采集裝置，用于對(duì)承載所述目標(biāo)物體三維信息的反射和/或散射脈沖光信號(hào)進(jìn)行采集；圖像重構(gòu)裝置，用于對(duì)所述光采集裝置采集到的信息進(jìn)行圖像重構(gòu)。
例如，所述高速結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置包括：光纖光信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)，其中光纖光信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)包括：脈沖光信號(hào)發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生脈沖光信號(hào)；時(shí)域色散器件，用于將所述脈沖光信號(hào)的頻譜在時(shí)域上展開。
例如，所述光纖光信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)還包括：碼形發(fā)生器，光調(diào)制器，所述碼形發(fā)生器用于生成碼形；所述光調(diào)制器用于將所述碼形調(diào)制到經(jīng)過(guò)所述時(shí)域色散器件處理后的脈沖光信號(hào)上。
例如，所述碼形包括二值碼或灰度碼中的至少一種或多種。
例如，所述光纖光信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)還包括：偏振調(diào)整器件，所述偏振調(diào)整器件用于對(duì)所述脈沖光信號(hào)進(jìn)行偏振調(diào)整；所述空間色散裝置用于將偏振調(diào)整后的脈沖光信號(hào)的光譜進(jìn)行色散。
例如，所述高速結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置包括：空間光投影系統(tǒng)，所述空間光投影系統(tǒng)包括：空間色散裝置，用于將所述光纖光信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)處理后的光信號(hào)在空間中進(jìn)行色散，并照射所述目標(biāo)物體。
例如，所述空間色散裝置進(jìn)一步將所述光纖光信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)處理后的光信號(hào)在空間中色散成線陣或面陣，并照射所述目標(biāo)物體。
例如，所述空間光投影系統(tǒng)包括：投影裝置，用于將經(jīng)過(guò)所述光調(diào)制器調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)行投影；所述空間色散裝置將所述投影后的光信號(hào)在空間中進(jìn)行色散，并照射所述目標(biāo)物體。
例如，所述空間色散裝置為光柵，所述光柵包括第一光柵和第二光柵，所述第一光柵和第二光柵具有相同線數(shù)。
例如，所述第一光柵和所述第二光柵平行放置，并具有相同的固定傾角。
例如，所述固定傾角由散射光柵的衍射主極大角度決定。
例如，所述高速結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置還包括：光束控制裝置，所述光束控制裝置將在空間中進(jìn)行色散后的脈沖光信號(hào)根據(jù)所述目標(biāo)物體的大小進(jìn)行調(diào)整，并照射到所述目標(biāo)物體。
例如，所述光采集單元包括：光調(diào)整部件，根據(jù)光的傳播角度和位置，對(duì)所述目標(biāo)物體反射和/或散射光信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，以使反射和/或散射光信號(hào)中的頻域映射到時(shí)域的信息能夠被檢測(cè)到。
例如，所述光調(diào)整部件為空間光強(qiáng)掩模,所述空間光強(qiáng)掩膜在空間上的透射率按一定規(guī)律分布，所述空間光強(qiáng)掩膜對(duì)所述目標(biāo)物體反射和/或散射光信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，以使所述目標(biāo)物體的不同位置反射和/或散射出的光信號(hào)被附加各不相同的光強(qiáng)度。
例如，所述光采集裝置還包括：光電探測(cè)器，所述光電探測(cè)器對(duì)經(jīng)所述空間光強(qiáng)掩模調(diào)整后的光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)該探測(cè)結(jié)果中光信號(hào)的強(qiáng)度，確定所述光信號(hào)來(lái)自于的所述目標(biāo)物體的空間位置。
例如，所述高速結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置產(chǎn)生的入射光以第一入射角度照射所述目標(biāo)物體；所述光電探測(cè)器根據(jù)所述第一入射角度，確定所述光信號(hào)來(lái)自于所述目標(biāo)物體上的空間位置。
例如，所述高速結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置產(chǎn)生的入射光以第一光強(qiáng)度照射所述目標(biāo)物體；所述光電探測(cè)器根據(jù)所述第一光強(qiáng)度，確定所述光信號(hào)來(lái)自于所述目標(biāo)物體上的空間位置。
例如，所述光電探測(cè)器確定探測(cè)結(jié)果的圖像中每個(gè)像素接收到的光強(qiáng)度與所述碼形發(fā)生器產(chǎn)生的編碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系；根據(jù)所述對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定所述目標(biāo)物體的三維信息中的高度信息。
例如，所述光纖光信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)中的碼形發(fā)生器產(chǎn)生包括預(yù)定碼形的條紋圖案，所述高速結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置將帶有該條紋圖案的入射光以所述第一發(fā)射角照射所述目標(biāo)物體。
例如，所述光采集裝置還包括：成像透鏡系統(tǒng)，用于對(duì)目標(biāo)物體表面反射和/或散射出的光信號(hào)進(jìn)行匯聚，以供所述光電探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。
例如，所述空間光強(qiáng)掩膜為漸變?yōu)V光片。
例如，所述圖像重構(gòu)裝置包括：處理器，用于對(duì)所述光采集裝置采集的信號(hào)進(jìn)行處理，將所述信號(hào)重構(gòu)成圖像；顯示器，用于對(duì)重構(gòu)后的圖像進(jìn)行顯示。
例如，還包括臺(tái)架，用于固定并承載所述目標(biāo)物體。
本發(fā)明實(shí)施例的高速結(jié)構(gòu)光三維成像裝置，在光信號(hào)時(shí)域上疊加碼形信號(hào)，利用光調(diào)制器施加高速的時(shí)域測(cè)量，并且利用色散器件進(jìn)行色散操作形成空間結(jié)構(gòu)光圖案，整個(gè)處理過(guò)程利用了光電效應(yīng)或物理效應(yīng)，不需要機(jī)械調(diào)整結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)單像素成像系統(tǒng)當(dāng)中的數(shù)字微鏡陣列等機(jī)械結(jié)構(gòu)，大大提高了成像速度。
附圖說(shuō)明
為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例的描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單的介紹。下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的示例性實(shí)施例。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高速結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)第一種示范性框架圖；
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高速結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的碼形調(diào)制示意圖；
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)光對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行成像的示意圖。
具體實(shí)施方式
在下文中，將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。注意，在本說(shuō)明書和附圖中，具有基本上相同步驟和元素用相同的附圖標(biāo)記來(lái)表示，且對(duì)這些步驟和元素的重復(fù)解釋將被省略。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高速結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)第一種示范性框架圖。下面將參照?qǐng)D1來(lái)描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的高速結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)。參見(jiàn)圖1，高速結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)100包括：高速結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置110、光采集裝置120、圖像重構(gòu)裝置130。
高速結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置110，用于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光圖案，作為照明光源對(duì)目標(biāo)三維物體投影成像。成像目標(biāo)例如是三維物體s。光采集裝置120，用于對(duì)成像目標(biāo)物體s反射或散射的或反射散射組合的承載三維信息的脈沖光信號(hào)進(jìn)行采集。圖像重構(gòu)裝置130，用于對(duì)所述光采集裝置120采集到的反射和/或散射光信號(hào)進(jìn)行圖像重構(gòu)。此外，高速結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)100還可以包括以及用于固定、承載、調(diào)整、控制目標(biāo)物體的臺(tái)架。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高速結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。參見(jiàn)圖2，高速結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置110可以包括光纖光信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)和空間光投影系統(tǒng)。其中，光纖光信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)可以包括脈沖光信號(hào)發(fā)生裝置111，用于產(chǎn)生脈沖光信號(hào)。時(shí)域色散器件112，用于將所述脈沖光信號(hào)的頻譜在時(shí)域上展開。碼形發(fā)生器113，用于生成碼形組合。光調(diào)制器114，用于將碼形發(fā)生器113產(chǎn)生的碼形調(diào)制到經(jīng)過(guò)所述時(shí)域色散器件112色散的光脈沖光信號(hào)上。
此外，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，脈沖光信號(hào)發(fā)生裝置111例如可以是超短光脈沖源。高速結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)100還可以包括放大器，用于對(duì)經(jīng)時(shí)域色散器件112轉(zhuǎn)換后的脈沖光信號(hào)進(jìn)行放大。
空間光投影系統(tǒng)可以包括空間色散裝置115，例如光柵，用于將光信號(hào)在空間中進(jìn)行色散。例如將光信號(hào)在空間中色散成線陣或面陣。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，光柵131可以是一組光柵對(duì)，包括第一光柵和第二光柵，第一光柵和第二光柵可以具有相同線數(shù)。線數(shù)例如是600刻線每毫米。此外，為了確保出射光線的平行度，第一光柵和第二光柵可以平行放置，并具有相同的固定傾角。固定傾角由光柵的衍射主極大角度決定。例如，對(duì)于中心波長(zhǎng)1560nm的脈沖光源，入射角可選取60°。光柵例如是散射光柵或是衍射光柵。光柵可以對(duì)脈沖光信號(hào)的光譜進(jìn)行空間色散，并將散射后的脈沖光信號(hào)的光譜從時(shí)域轉(zhuǎn)換到空域，這樣，空間色散后的脈沖光信號(hào)可以形成平行照射光束照射到目標(biāo)物體s，以對(duì)目標(biāo)物體s進(jìn)行成像?？蛇x地，光柵還可以換成其他周期性光色散器件。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，空間光投影系統(tǒng)還可以包括投影裝置116，例如準(zhǔn)直器，用于將經(jīng)過(guò)光調(diào)制器114調(diào)制光強(qiáng)信號(hào)從光纖光信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)投影到自由空間中；然后空間色散裝置115將投影到自由空間中的光信號(hào)在空間中色散成線陣或面陣。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，高速結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置還可以包括光束控制裝置例如擴(kuò)束器。光束控制裝置將在空間中進(jìn)行色散后的脈沖光信號(hào)根據(jù)所述目標(biāo)物體的大小進(jìn)行調(diào)整，然后照射到所述目標(biāo)物體。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，高速結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置還可以包括偏振調(diào)整器件，偏振調(diào)整器件用于對(duì)所述脈沖光信號(hào)進(jìn)行偏振調(diào)整，所述空間色散裝置115可以將偏振調(diào)整后的脈沖光信號(hào)的光譜進(jìn)行色散?？蛇x地，偏振調(diào)整器件可以是半波片，四分之一波片等等。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖。由于在很多結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)中，在圖像采集中，不能準(zhǔn)確地采集到前述碼形信息，因此，為了能夠準(zhǔn)確地采集到光調(diào)制器調(diào)制的碼形信息，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，如圖3所示，光采集裝置120可以包括：光調(diào)整部件121，根據(jù)光的傳播角度和位置，對(duì)目標(biāo)物體反射和/或散射光信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，以使反射和/或散射光信號(hào)中的頻域映射到時(shí)域的信息能夠被檢測(cè)到。例如，光調(diào)整部件為空間光強(qiáng)掩模,可以對(duì)所述三維目標(biāo)物體反射和/或散射的光信號(hào)根據(jù)光的傳播角度和位置進(jìn)行調(diào)整，被成像的目標(biāo)物體表面上不同位置反射和/或散射出的光信號(hào)將被空間光強(qiáng)掩膜附加各不相同的強(qiáng)度衰減。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，空間光強(qiáng)掩膜可以是漸變?yōu)V光片，使用漸變?yōu)V光片對(duì)反射和/或散射光進(jìn)行調(diào)整。
參見(jiàn)圖3，光采集裝置120還可以包括：光電探測(cè)器122，將光采集裝置120采集的脈沖光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。此外，通過(guò)光電探測(cè)器122探測(cè)的結(jié)果，還可以根據(jù)被成像的目標(biāo)物體反射或散射出的信號(hào)中某一點(diǎn)的強(qiáng)度，推測(cè)出其來(lái)自于目標(biāo)物體上哪一空間位置。成像透鏡系統(tǒng)123，用于對(duì)目標(biāo)物體表面散射出的光信號(hào)進(jìn)行匯聚，以供光電探測(cè)器122探測(cè)。成像透鏡系統(tǒng)123可以是顯微物鏡，聚焦物鏡等。光電探測(cè)器例如是單點(diǎn)探測(cè)器。
由于光電探測(cè)器122在探測(cè)單點(diǎn)的光強(qiáng)時(shí)序信息時(shí)，無(wú)法直接獲得光信號(hào)的空間信息，即無(wú)法確定探測(cè)結(jié)果中某一時(shí)間點(diǎn)上的光信號(hào)來(lái)自于目標(biāo)物體表面哪一點(diǎn)漫反射和/或散射出的光。通過(guò)在類似光電探測(cè)器122的探測(cè)裝置前加裝一個(gè)在空間上透射率按一定規(guī)律分布的空間光強(qiáng)掩模，可以根據(jù)光信號(hào)的空間位置，調(diào)制上不同的光強(qiáng)。例如，可以預(yù)先對(duì)入射光強(qiáng)進(jìn)行入射角度或強(qiáng)度限定，則可從光電探測(cè)器122探測(cè)到的時(shí)域信號(hào)中根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度分析出其光信號(hào)來(lái)自于目標(biāo)物體物面上的哪一點(diǎn)，然后根據(jù)幾何三角法來(lái)計(jì)算獲得物面的三維結(jié)構(gòu)信息。
圖像重構(gòu)裝置130包括：處理器，用于對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理，根據(jù)一定算法將信號(hào)重建成圖像。顯示器，用于對(duì)重構(gòu)后的圖像進(jìn)行顯示。
下面將進(jìn)一步介紹該高速結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)100的工作方式。
在本發(fā)明實(shí)施例中，采用脈沖光信號(hào)發(fā)生裝置111作為成像系統(tǒng)的光源，不同的脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生具有不同的譜寬b的光信號(hào)。脈沖光信號(hào)發(fā)生裝置111在工作狀態(tài)下，產(chǎn)生脈沖光信號(hào)，該脈沖光信號(hào)在頻域可以表示為f(ω)，其中，ω是光的角頻率。將脈沖光信號(hào)發(fā)生裝置111輸出的脈沖光信號(hào)f(ω)首先經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)域色散器件112，使光信號(hào)f(ω)的頻譜在時(shí)域上展開，該時(shí)域色散器件112的具有色散值。然后，空間光投影系統(tǒng)將頻譜展開后的脈沖光信號(hào)f(ω)形成光束照射一目標(biāo)物體，以對(duì)該目標(biāo)物體進(jìn)行成像。在本發(fā)明實(shí)施例中，目標(biāo)物體可以是二維場(chǎng)景，也可以是三維場(chǎng)景。本發(fā)明實(shí)施例以三維目標(biāo)物體為例進(jìn)行說(shuō)明。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示例，可以先采用光調(diào)制器114對(duì)經(jīng)過(guò)時(shí)域色散器件112在時(shí)域上展開的脈沖光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，然后再投影到目標(biāo)物體。例如，采用碼形發(fā)生器113產(chǎn)生適當(dāng)?shù)拇a形，然后采用光調(diào)制器114將碼形發(fā)生器113產(chǎn)生的碼形調(diào)制到在時(shí)域上展開的脈沖光信號(hào)上，以對(duì)其進(jìn)行調(diào)制。
碼形發(fā)生器113根據(jù)最終期望的成像圖像的成像分辨率來(lái)產(chǎn)生碼形。該碼形由一組不同編碼的信號(hào)組成，變換不同的碼形序列，可以得到多個(gè)不同的測(cè)量值，期望的成像圖像的分辨率越高，也就是成像圖像的像素點(diǎn)數(shù)越多，需要調(diào)制的碼形信號(hào)最小線寬越精細(xì)，且一組中包含的碼形總數(shù)越多，而變換不同碼形進(jìn)行測(cè)量的次數(shù)也越多。例如，如果成像圖像的像素點(diǎn)數(shù)為2m，則需要產(chǎn)生至少n個(gè)二值調(diào)制的結(jié)構(gòu)光照射碼形，并逐次照射進(jìn)行測(cè)量。一般情況下，n不小于m。編碼方法式可以有很多選擇，可以設(shè)置每一個(gè)成像像素位置所對(duì)應(yīng)的碼形是獨(dú)一無(wú)二的，常用的二進(jìn)制編碼方案，如“漢明碼”、“格雷碼”等都可以被采用來(lái)做編碼。可選地，當(dāng)選取n大于m時(shí)，可以利用冗余的碼位來(lái)提供額外的信息，從而實(shí)現(xiàn)抗噪、校驗(yàn)等功能。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的碼形調(diào)制示意圖。參見(jiàn)圖4，以碼形發(fā)生器113產(chǎn)生二值編碼為例對(duì)編碼解碼進(jìn)行描述。
碼形發(fā)生器113產(chǎn)生二值強(qiáng)度碼形，這樣，高速結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置110可以采用調(diào)制有二值強(qiáng)度碼形的脈沖光信號(hào)生成一組圖案，這組圖案包括多幅編有特定編碼的條紋圖案，圖4中示出了三個(gè)圖案a、b和c。將該條文圖案作為入射圖案，以一定發(fā)射角投影到待測(cè)的三維目標(biāo)物體表面得到三個(gè)圖像，即圖像一到圖像三。由于三維目標(biāo)物體的表面呈高低分布，不同角度的入射光條紋會(huì)在不同高度上被反射和/或散射。如果用一個(gè)光電探測(cè)器122從與入射光方向成一定夾角的某一方向去探測(cè)物體表面漫反射和/或散射出的光，就會(huì)得到一個(gè)原入射圖案經(jīng)扭曲變化的新的光強(qiáng)分布。
從光電探測(cè)器122探測(cè)圖像和原始圖像的差異中，可以分析出某一條紋的光經(jīng)過(guò)了怎樣的傳播過(guò)程，結(jié)合光源、相機(jī)、成像參考面三者的空間相對(duì)位置信息，可以推算出物體表面各點(diǎn)的相對(duì)高度，從而得到一幅三維成像結(jié)果。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，為了在光電探測(cè)器122探測(cè)到的圖像中分析出圖像中的某點(diǎn)對(duì)應(yīng)的原圖案中的哪一點(diǎn)。也就是確定點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的映射關(guān)系，二值編碼可以采用以下方式產(chǎn)生。參見(jiàn)圖4，每組編碼有m＝3個(gè)不同圖案，每幅圖中最多將整圖分成了2m＝8個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域上調(diào)制上明或暗的強(qiáng)度。如果用碼“1”表示明區(qū)域，“0”表示暗區(qū)域，那么綜合m幅編碼，圖像中每個(gè)條紋區(qū)域會(huì)有三位碼字序列與之對(duì)應(yīng)，這2m個(gè)條紋區(qū)域?qū)?yīng)的碼字各不相同。例如圖4中最左邊一列對(duì)應(yīng)碼字“111”。這樣在光電探測(cè)器122進(jìn)行探測(cè)時(shí)，綜合m次探測(cè)到的結(jié)果，可以由這m位碼字唯一的確定探測(cè)結(jié)果圖像中的某一條紋對(duì)應(yīng)于原初圖案中的哪一位置。光電探測(cè)器122的n次測(cè)量將產(chǎn)生n次探測(cè)結(jié)果，可以依據(jù)探測(cè)結(jié)果中的編碼值來(lái)確定光電探測(cè)器122中每個(gè)像素接收到的光強(qiáng)來(lái)自于投射編碼的哪個(gè)位置。繼而通過(guò)三角法原理，計(jì)算出所探測(cè)目標(biāo)物體的三維信息。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，在確知了入射圖案與探測(cè)圖案上各點(diǎn)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系后，可以進(jìn)一步確定如何從點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系推算物面高度。例如，求解算物面高度可以利用光源、成像參考面、相機(jī)的空間位置信息。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)光對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行成像的示意圖。參見(jiàn)圖5，從高速結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置110發(fā)射出編碼后的結(jié)構(gòu)光圖案至目標(biāo)物體s表面，目標(biāo)物體s表面上一點(diǎn)p點(diǎn)對(duì)應(yīng)于后端的光電探測(cè)器122的水平視角為α、垂直視角為β、p點(diǎn)對(duì)于高速結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置110的投影角為φ,其中φ0是高速結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置110的光軸與光電探測(cè)器122的光軸的夾角,以光電探測(cè)器122的中心為原點(diǎn)o,高速結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置110的中心的坐標(biāo)是q(x0,0,z0)。
在高速結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置110、光點(diǎn)探測(cè)器122、目標(biāo)物體s構(gòu)成的三角形qop中，變長(zhǎng)oq在系統(tǒng)搭建后為已知量，角o的值可以通過(guò)探測(cè)獲得；另外，通過(guò)設(shè)置可使高速結(jié)構(gòu)光發(fā)生裝置110按照確定的角度將不同的碼形圖案投影到目標(biāo)物體上，角q的值可以通過(guò)光電探測(cè)器122幾次探測(cè)所得到的序列碼值來(lái)推算出。當(dāng)以上三個(gè)參量信息已知后，則可以計(jì)算出此三角形的全部幾何信息。
p點(diǎn)的三維坐標(biāo)(x,y,z)可以根據(jù)幾何關(guān)系，由公式(4.1)(4.2)(4.3)給出
x＝z*tanα(4.2)
y＝z*tanβ(4.3)
可以計(jì)算出p點(diǎn)的深度信息三維坐標(biāo)信息(x,y,z)。
由于光電探測(cè)器122在探測(cè)單點(diǎn)的光強(qiáng)時(shí)序信息時(shí)，無(wú)法直接獲得光信號(hào)的空間信息，即無(wú)法確定探測(cè)結(jié)果中某一時(shí)間點(diǎn)上的光信號(hào)來(lái)自于目標(biāo)物體表面哪一點(diǎn)漫反射和/或散射出的光。因此通過(guò)在探測(cè)裝置前加裝一個(gè)在空間上透射率按一定規(guī)律分布的空間光強(qiáng)掩模，可以根據(jù)光信號(hào)的空間位置，調(diào)制上不同的光強(qiáng)。例如，可以預(yù)先對(duì)入射光強(qiáng)進(jìn)行入射角度或強(qiáng)度限定，則可從光電探測(cè)器122探測(cè)到的時(shí)域信號(hào)中根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度分析出其光信號(hào)來(lái)自于目標(biāo)物體物面上的哪一點(diǎn)，然后根據(jù)幾何三角法來(lái)計(jì)算獲得物面的三維結(jié)構(gòu)信息。
此外，在采集到反射和/或散射光后，可以對(duì)光采集裝置120采集到的信息進(jìn)行圖像重構(gòu)。在本發(fā)明實(shí)施例中，采用圖像重構(gòu)裝置130對(duì)光采集裝置120采集到的反射和/或散射光進(jìn)行圖像重構(gòu)。圖像重構(gòu)裝置130可以包括處理器和顯示器。在光采集裝置120中的光電探測(cè)器122將采集到的脈沖光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)之后，處理器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理。顯示器，用于對(duì)重構(gòu)后的圖像進(jìn)行顯示。
綜上，本發(fā)明實(shí)施例的高速結(jié)構(gòu)光三維成像裝置，在光信號(hào)時(shí)域上疊加碼形信號(hào)，利用光調(diào)制器施加高速的時(shí)域測(cè)量，并且利用色散器件進(jìn)行色散操作形成空間結(jié)構(gòu)光圖案，整個(gè)處理過(guò)程利用了光電效應(yīng)或物理效應(yīng)，不需要機(jī)械調(diào)整結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)單像素成像系統(tǒng)當(dāng)中的數(shù)字微鏡陣列等機(jī)械結(jié)構(gòu)，大大提高了成像速度。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識(shí)到，結(jié)合本文中所公開的實(shí)施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、計(jì)算機(jī)軟件或者二者的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。并且軟件模塊可以置于任意形式的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)中。為了清楚地說(shuō)明硬件和軟件的可互換性，在上述說(shuō)明中已經(jīng)按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來(lái)執(zhí)行，取決于技術(shù)方案的特定應(yīng)用和設(shè)計(jì)約束條件。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用來(lái)使用不同方法來(lái)實(shí)現(xiàn)所描述的功能，但是這種實(shí)現(xiàn)不應(yīng)認(rèn)為超出本發(fā)明的范圍。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，可依賴于設(shè)計(jì)需求和其它因素對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改、組合、部分組合和替換，只要它們?cè)谒綑?quán)利要求書及其等價(jià)物的范圍內(nèi)。