结构化光成像系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种结构化光成像系统及方法。该结构化光成像系统及方法适于包括具有至少两组光发射器的投射器以及具有像素阵列的图像传感器，其中控制器被配置为使得各组能独立地操作。在一变型中，该图像传感器的各像素给该至少两组光发射器中的每一组分配一个储存节点。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】结构化光成像系统及方法
本专利技术涉及成像系统及方法，更具体地，涉及结构化光成像系统及方法。本专利技术还涉及用来确定场景的深度图的方法及装置。
技术介绍
许多深度感测测量系统(亦称为3D成像系统或3D摄像机)依赖三角测量原理。主动三角测量系统中的最常用方法之一是利用发射器(或投射器)及接收器，此两者物理上彼此分离以建立三角测量系统的基线长度。投射器可提供结构化的照明。结构化的照明在此文中被理解为一种被空间编码或调制的照明。接收器包含具有像素阵列的图像传感器。控制器通常处理由接收器所获得的原始图像，并导出所获得的对象、场景或人物的三维深度图。此种系统通常被称为结构化光成像系统。结构化的照明可具有任何规则的形状，例如，线形或圆形，或可具有诸如伪随机点图案的伪随机图案，或者进一步可具有伪随机形状或形状的尺寸。在结构化光成像系统的投射器中，此种伪随机但规则的图案的实施及使用已公开于PCT公开案WO2007/105205A2中且已广泛地应用于游戏产业。US2013/0038881A1及WO2013127974A1中记载了一种在结构化光成像中使用的新型投射器，其基于同一芯片上的许多发光激光二极管并且投射到3D空间。已在固态发光装置上的投影的图案的形成具有高效节能的优点。例如，在随机点图案的情况中，所有产生的光被固有地束缚至这些点。在这些点之间没有损失。另一方面，基于压印透明片、掩模或微镜阵列，诸如数字光处理器(DLP)，来建立投射器，该些点之间的光被阻挡或偏移。因此，损失大量的所产生的光功率。其他投射器基于单个准直的激光二极管以及一或多个衍射光学组件。这些类型的投射器显示了良好的效率，但是在大的温度范围内保持图案足够稳定以基于结构化光成像来进行合理的深度测量是非常具有挑战性的。为了应对此种热缺陷，可对图案投射器的部件作温度控制，例如，藉由使用Peltier组件或加热电阻，从而减少整体能源效率。基于时间编码的结构化光源及图像传感器的结构化光成像系统的另一进良已在欧洲公开案EP2519001A2中被提出。对结构化光成像系统施加时间编码可以减去背景光，无论是开像素(on-pixel)(在图像传感器上的像素能执行差分成像的情况下)或是关像素(off-pixel(图像后处理时)。此外，时间编码或调制能实现多个摄像机操作。这意味着不同的结构化光成像系统可施用时间编码，并且藉由这样做，可以在相同的环境内操作而不互相干扰。能以有限的干扰进行操作的具体时间编码方式为，例如，基于码分多址、频分多址或是其他如频率或相位跳变。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种具有改良的深度及横向分辨率的高效率的结构化光成像系统以及相应的方法和装置、以及一种用于深度映像场景的方法。结构化光成像系统亦可被理解为结构化光成像装置。这些目的特别通过独立权利要求的特征来实现。此外，从属权利要求及说明书产生进一步的有利实施例。在第一方面中，该结构化光成像装置包含：投射器，该投射器包含用于发射结构化光的至少两组光发射器；用于感测源自该投射器的光的图像传感器；以及控制单元。该控制器被构造且被配置为用于独立地操作该至少两组光发射器中的每一组。在另一方面中，该结构化光成像系统包括图像传感器及投射器，其中该投射器包括至少两组光发射器，其中控制器被配置为使各组能够独立地操作。两个方面可以混合及互换。在本专利技术的一些实施例中，该投射器中的单个光投射装置被配置为将由该至少两组光发射器所发射的结构化光投射到场景。若该组光发射器的图案是由相同的单个光投射装置所投射，则是有利的且减少了处理及校正的复杂度。这将导致不同组光发射器的恒定组合图案，其独立于该场景中的对象的距离。藉由在该组光发射器前方设置例如两个物理上分离的光投射装置，不同的发射图案在这段距离上彼此交叉跨越。因此，在单个距离处的单个校正采集将不足以根据三角测量而推导出差异和测量距离。在本专利技术的一些实施例中，该至少两组光发射器包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)。在一些情况中，VCSEL可以是光发射器的一适当选择，因为它们可被集成在小的装置中且由于它们的低成本及可大批量制造。在本专利技术的一些实施例中，该至少两组光发射器被配置在单个芯片上。对于该至少两组光发射器在相同芯片上的情况，可简化光投射装置的设计。在本专利技术的一些实施例中，该至少两组光发射器被配置成物理地交错。该至少两组光发射器的物理交错以及其投射允许该发射的结构化光具有更紧密的结构，因此，从该结构化光图像所获得的空间信息可获得更高的横向及深度分辨率。在本专利技术的一些实施例中，该至少两组光发射器被配置成发射相同但偏移的结构化光图案。通过由该至少两组光发射器发射相同但偏移的结构化光图案，比起由该至少两组光发射器发射完全不同的图案，结果将变得更能被预测。在本专利技术的一些实施例中，该至少两组光发射器被配置成发射不同的结构化光图案。发射不同的结构化光图案，例如，发射随机点图案和条纹图案可增加深度分辨率。此外，不同的随机点图案的组合是可能的。在本专利技术的一些实施例中，该控制器被配置为使得该至少两组光发射器能够以交错模式操作。因为该控制器可被配置为使得各组独立地操作，因此交错不同组光发射器的操作是有利的。取决于实际应用，不同的交错操作方案是可能的，例如伪噪声(pseudo-noise)操作、跳频操作或其他。交错操作有助于减少结构化光成像系统之间的干扰，并可降低本专利技术中快速移动对象的问题。在本专利技术的一些实施例中，图像传感器包括像素阵列，每个像素针对每组光发射器具有独立的储存节点。在本专利技术的一些实施例中，该控制器被配置为使得针对该图像传感器的每个像素，为每组光发射器分配一个储存节点。在该图像传感器的每个像素上，每组光发射器具有一单独的储存节点是有利的。这可将每组光发射器的图像储存在单独的储存节点中。在本专利技术的一些实施例中，该图像传感器的像素包括公共信号去除电路，其被构成为去除该图像传感器上的像素的储存节点的公共模式信号。在像素级别上的公共模式信号的去除会增加动态范围，并且能够抑制背景光。在本专利技术的一些实施例中，该控制器被配置为使得在曝光期间该至少两组光发射器能够交替地、反复地被开启，其中该信号被相应地整合在像素的所分配的储存节点上。在曝光期间，该组光发射器的交替及反复操作以及在像素中的分配的储存节点中的相应信号的整合，有助于减少在同一环境中与其他结构化光成像系统的干扰，并且进一步降低由于曝光期间场景变化的影响。在本专利技术的一些实施例中，该图像传感器的像素为飞行时间(time-of-flight)像素。大多数现有的飞行时间像素已包含两个储存节点及甚至像素中(in-pixel)公共模式去除电路。因此，技术人员可基于此种飞行时间像素结构而建立根据本专利技术的结构化光系统，而无需设计新的像素。在第一方面中，该结构化光成像方法包含提供投射器，其包含至少两组光发射器，从该至少两组光发射器发射结构化光，其中各组光发射器组独立地操作，以及藉由图像传感器感测源自该投射器的光。在另一方面中，该结构化光成像方法包含使用图像传感器及投射器，其中该投射器包括至少两组光发射器，每组光发射器独立地操作。两个方面可以混合及互换。在一变型中，由该至少两组光发射器所发射的该结构化光通过单个光投射装置被投射到场景上。在一变型中，该至少本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结构化光成像装置，包含投射器、图像传感器及控制单元，该投射器包含用于发射结构化光的至少两组光发射器，该图像传感器用于感测源自该投射器的光，其中该控制器被构造且被配置为用于独立地操作该至少两组光发射器中的每一组。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.27 CH 00976/141.一种结构化光成像装置，包含投射器、图像传感器及控制单元，该投射器包含用于发射结构化光的至少两组光发射器，该图像传感器用于感测源自该投射器的光，其中该控制器被构造且被配置为用于独立地操作该至少两组光发射器中的每一组。2.根据权利要求1所述的结构化光成像装置，该投射器仅包含单个光投射装置，且该光投射装置被构造且被配置用于将由该至少两组光发射器所发射的结构化光投射到场景上。3.根据权利要求1或2所述的结构化光成像装置，其中该至少两组光发射器包含垂直腔面发射激光器，特别地，其中该至少两组光发射器中的每一组包含至少一个垂直腔面发射激光器，更特别地，每一组包含多个垂直腔面发射激光器。4.根据权利要求1至3中任一项所述的结构化光成像装置，其中该至少两组光发射器被配置在单个芯片上。5.根据权利要求1至4中任一项所述的结构化光成像装置，其中该至少两组光发射器被配置成物理地交错。6.根据权利要求1至5中任一项所述的结构化光成像装置，其中该至少两组光发射器被构造且被配置成发射相同的但偏移的结构化光图案。7.根据权利要求1至5中任一项所述的结构化光成像装置，其中该至少两组光发射器被构造且被配置成发射不同的结构化光图案。8.根据权利要求1至7中任一项所述的结构化光成像装置，其中该控制器被构造且被配置为用于以交错模式操作该至少两组光发射器，特别地，以一次仅操作各组光发射器中的一组的模式。9.根据权利要求1至8中任一项所述的结构化光成像装置，其中该图像传感器包括像素阵列，每个像素(121)针对每组光发射器具有独立的储存节点。10.根据权利要求1至9中任一项所述的结构化光成像装置，其中该图像传感器包括像素阵列，每个像素包含至少两个储存节点，且其中该控制器被构造且被配置为针对每个像素，向每组光发射器分配相应储存节点中不同的一个。11.根据权利要求1至10中任一项所述的结构化光成像装置，其中该图像传感器包括像素阵列，每个像素包含至少两个储存节点及公共信号去除电路，特别地，其中该公共信号去除电路中的每一个被配置用于从相应储存节点去除公共模式信号。12.根据权利要求1至11中任一项所述的结构化光成像装置，其中该图像传感器包括像素阵列，每个像素包含至少两个储存节点，且其中该控制器被配置为用于在曝光期间反复地、交替地开启各组光发射器中的不同组光发射器，并且用于将其与各像素中的不同储存节点的分配同步，特别地，用于在每个像素中、在不同的各个储存节点中，收集源自不同组的光发射器发出的结构化光的电荷。13.一种结构化光成...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·欧吉尔，
申请(专利权)人：新加坡恒立私人有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG