结构光成像中去除背景光的方法技术

本发明专利技术公开一种结构光成像中去除背景光的方法，包括：S1、前后两帧图像分别采用全局快门曝光方式、卷帘快门曝光方式对图像传感器的全部像素进行曝光，每个像素曝光后累积的结构光电荷与背景光电荷按照电荷类别及先后时序分别单独存储于同一存储单元内；S2、读出电路按照时序分别逐行读取位于存储单元内每个像素的结构光电荷所对应的结构光电压及每个像素的背景光电荷所对应的背景光电压；S3、读出电路将读取的每个像素的结构光电压与背景光电压相减，以去除背景光。本发明专利技术通过共用存储单元的方式实现两帧相减的效果，不会增加存储单元的数量，过多占用像素的面积，无需缩小感光单元的尺寸，避免对像素的性能产生不利影响。

【技术实现步骤摘要】
结构光成像中去除背景光的方法
本专利技术涉及于结构光成像
，特别涉及一种结构光成像中去除背景光的方法。
技术介绍
目前结构光成像技术开始广泛的应用于商业，例如人脸识别、安防监控、工业检测等领域。结构光的三维视觉成像是基于光学三角测量原理实现的。如图1所示，结构光三维视觉系统包括光学投射器1和摄像机2，光学投射器将一定模式(例如红外激光点阵)的光图案透射于物体表面，在表面上形成由被测物体表面形状所调制的点阵三维图像，该三维图像由处于另一位置的摄像机探测，从而获得点阵二维畸变图像。激光点阵的畸变程度取决于光学投射器与摄像机之间的相对位置和物体表面的形状轮廓(高度)。直观上，沿着点阵显示出的位移(或者偏移)与物体表面高度成比例，扭结表示平面的变化，不连续显示表面的物理间隙。当光学投射器与摄像机之间的相对位置一定时，由畸变的二维点阵图像坐标便可重现物体表面的三维形状轮廓。传统的光学投射器投出的光频率在940nm，摄像机的图像传感器会有光学带通滤波器，只接收940nm频率的光。这样会很大程度上避免其他光源对结构光图案的影响。但是，在自然界(例如太阳频谱，白炽灯，卤素灯等)中会存在940nm的频率分量，能够对结构光图案造成影响。一种解决背景光的方法是采用两帧相减的方法。如图2所示，首先，开启光学投射器投射940nm频率的图案，图像传感器捕获并存储一帧结构光，之后关闭光学投射器，图像传感器捕获并存储一帧背景光。通过计算机或专用处理芯片进行结构光帧与背景光帧的相减，之后计算结构光的深度，以消除背景光。传统两帧相减方式存在如下几个缺点：首先，图像传感器捕获的第一帧需要一个完整的数字化存储空间将电压转换为数字信号进行存储，例如硬盘等工具，这对于日趋小型化的消费类电子产品是很大的挑战；其次，需要系统(专用芯片)对两帧进行减法计算，会消耗大量的系统资源；最后，图像传感器和系统需要传输和接收两帧才能得到背景光相减后的图像，需要双倍的系统带宽。最接近片上两帧相减功能的技术方案是在全局快门的像素中，增加两个(或多个)存储单元，如图3和图4所示。第一存储单元3用于记录结构光信息，第二存储单元4用于记录背景光信息，在芯片读出时，为逐行读出。在选定一行后，首先该行所有像素读出第一存储单元3的信息，并存储，再读出第二存储单元4的信息，并用之前第一存储单元3的值减去第二存储单元4的值，以此类推，逐行完成扫描，即输出一帧背景光相减后的图像。但该技术方案的缺点是在像素内需要至少两个存储单元，会占用像素内感光单元5的面积，使感光单元的面积变小，因此对像素的性能产生不利影响，例如降低像素的量子效率、灵敏度、满肼、动态范围等。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术的目的是提供一种结构光成像中去除背景光的方法，以解决因在全局快门的像素中增加存储单元而占用感光单元面积导致对像素性能产生不利影响的问题。本专利技术提供的结构光成像中去除背景光的方法，包括如下步骤：S1、前后两帧图像分别采用全局快门曝光方式、卷帘快门曝光方式对图像传感器的全部像素进行曝光，每个像素曝光后累积的结构光电荷与背景光电荷按照电荷类别及先后时序分别单独存储于同一存储单元内；S2、通过读出电路按照时序分别逐行读取位于存储单元内每个像素的结构光电荷所对应的结构光电压及每个像素的背景光电荷所对应的背景光电压；S3、通过读出电路将读取的每个像素的结构光电压与背景光电压相减，以去除背景光。优先地，在前后两帧图像分别采用全局快门曝光方式、卷帘快门曝光方式对图像传感器的全部像素进行曝光的过程中，具体包括如下步骤：S110、第一帧曝光：开启结构光光源，采用全局快门曝光方式对图像传感器的全部像素同时进行曝光；S120、第二帧曝光：关闭结构光光源，采用卷帘快门曝光方式对图像传感器的全部像素逐行进行曝光。优先地，在每个像素曝光后累积的结构光电荷与背景光电荷按照电荷类别及先后时序分别单独存储于同一存储单元内的过程中，具体包括如下步骤：S130、结构光电荷存储：将每个像素的感光单元累积的结构光电荷分别转移至每个像素的存储单元内进行存储；S140、结构光电荷转移：将每个像素的存储单元内的结构光电荷分别转移至每个像素的浮动扩散节点；S150、背景光电荷存储：在各存储单元内存储的结构光电荷转移至浮动扩散节点后，将每行像素的各感光单元累积的背景光电荷依次转移至对应的存储单元内进行存储；S160、背景光电荷转移：将每个存储单元内的背景光电荷分别转移至每个像素的浮动扩散节点。优先地，步骤S2具体包括如下步骤：S210、结构光电压读取：在将每个像素的存储单元内的结构光电荷分别转移至每个像素的浮动扩散节点后，通过读出电路逐行读取每个像素的浮动扩散节点的结构光电压；S220、背景光电压读取：在将每个像素的存储单元内的背景光电荷分别转移至每个像素的浮动扩散节点后，通过读出电路逐行读取每个像素的浮动扩散节点的背景光电压。优先地，在将每个像素的存储单元内的结构光电荷分别转移至每个像素的浮动扩散节点之前，先将每个像素的复位晶体管置为高电平，使每个像素的浮动扩散节点的电压复位为供电电压，通过读出电路逐行读取每个浮动扩散节点的供电电压。优先地，通过读出电路将读取的每个浮动扩散节点的供电电压与结构光电压相减，获得每个像素的结构光曝光结果电压。优先地，在将每个像素的存储单元内的背景光电荷分别转移至每个像素的浮动扩散节点之前，先将每个像素的复位晶体管置为高电平，使每个像素的浮动扩散节点的电压复位为供电电压，通过读出电路逐行读取浮动扩散节点的供电电压。优先地，通过读出电路将读取的每个浮动扩散节点的供电电压与背景光电压相减，获得每个像素的背景光曝光结果电压。优先地，通过读出电路将每个像素的结构光曝光结果电压与背景光曝光结果电压相减，以去除背景光。优先地，读出电路逐行或逐列读取像素的浮动扩散节点的结构光电压和背景光电压。专利技术能够取得以下技术效果：1、在全局快门的像素不增加存储单元个数的情况下，只需一个存储单元即可存储结构光信息和背景光信息，实现两帧相减的效果，不会过多占用像素的面积，无需缩小感光单元的尺寸，避免对像素的性能产生不利影响；2、在全局快门曝光结束后，立马开始卷帘快门曝光，两帧的间隔时间非常短，避免被摄物体移动带来的两帧相减的数据错误；3、图像传感器输出即为两帧相减后的数据，相比较传统方式，能够节省系统的存储空间、数据带宽及功耗。附图说明图1是结构光三维视觉系统的结构示意图；图2是传统的两帧相减方法的时序示意图；图3是全局快门像素的简易结构示意图；图4是全局快门像素在曝光器期间的时序示意图；图5是根据本专利技术一个实施例的全局快门的像素的结构示意图；图6是根据本专利技术一个实施例的全局快门的像素在曝光期间的时序示意图；图7是根据本专利技术一个实施例的结构光成像中去除背景光的方法的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结构光成像中去除背景光的方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、前后两帧图像分别采用全局快门曝光方式、卷帘快门曝光方式对图像传感器的全部像素进行曝光，每个像素曝光后累积的结构光电荷与背景光电荷按照电荷类别及先后时序分别单独存储于同一存储单元内；/nS2、读出电路按照时序分别读取位于存储单元内每个像素的结构光电荷所对应的结构光电压及每个像素的背景光电荷所对应的背景光电压；/nS3、所述读出电路将每个像素的结构光电压与背景光电压相减，以去除背景光。/n

【技术特征摘要】
1.一种结构光成像中去除背景光的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、前后两帧图像分别采用全局快门曝光方式、卷帘快门曝光方式对图像传感器的全部像素进行曝光，每个像素曝光后累积的结构光电荷与背景光电荷按照电荷类别及先后时序分别单独存储于同一存储单元内；
S2、读出电路按照时序分别读取位于存储单元内每个像素的结构光电荷所对应的结构光电压及每个像素的背景光电荷所对应的背景光电压；
S3、所述读出电路将每个像素的结构光电压与背景光电压相减，以去除背景光。


2.根据权利要求1所述的结构光成像中去除背景光的方法，其特征在于，在前后两帧图像分别采用全局快门曝光方式、卷帘快门曝光方式对图像传感器的全部像素进行曝光的过程中，具体包括如下步骤：
S110、第一帧曝光：开启结构光光源，采用全局快门曝光方式对图像传感器的全部像素同时进行曝光；
S120、第二帧曝光：关闭结构光光源，采用卷帘快门曝光方式对所述图像传感器的全部像素逐行进行曝光。


3.根据权利要求2所述的结构光成像中去除背景光的方法，其特征在于，在每个像素曝光后累积的结构光电荷与背景光电荷按照电荷类别及先后时序分别单独存储于同一存储单元内的过程中，具体包括如下步骤：
S130、结构光电荷存储：将每个像素的感光单元累积的结构光电荷分别转移至每个像素的存储单元内进行存储；
S140、结构光电荷转移：将每个像素的存储单元内的结构光电荷分别转移至每个像素的浮动扩散节点；
S150、背景光电荷存储：在各存储单元内存储的结构光电荷转移至浮动扩散节点后，将每行像素的各感光单元累积的背景光电荷依次转移至对应的存储单元内进行存储；
S160、背景光电荷转移：将每个存储单元内的背景光电荷分别转移至每个像素的浮动扩散节点。


4.根据权利要求3所述的结构光成像中去除背景光的方法，其特征在于，步骤S2...

【专利技术属性】
技术研发人员：马成，王欣洋，李扬，贾恩·柏加兹，
申请(专利权)人：长春长光辰芯光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：吉林;22