無掃描器脈衝調製式三維成像系統的製作方法

2023-05-31 05:26:06 2

專利名稱：無掃描器脈衝調製式三維成像系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及三維成像或稱成像測距領域，尤其涉及一種無掃描器脈衝調製式三維成像系統。
背景技術：
測距技術隨著人類社會、科學技術的不斷進步和發展，人們對信息獲取的要求越來越高。二維成像技術已經比較成熟，但它們只能獲取二維圖像信息，而真實世界是三維空間，二維圖像不足以充分表達所有信息。三維的成像顯示技術將可以大大促進相關探測，模擬和娛樂等方面的發展。在三維成像系統中，以光學三維成像的解析度最高。但傳統的光學三維成像系統如傳統的雷射成像雷達，需要機械掃描裝置，這使得系統在實時性，抗振、體積、功耗等方面的性能均難以有突破性的提高。所以發展無掃描器的三維成像技術是人們關注的焦點之一。
美國Sandia公司發明了SRI(scannerless range imaging)無掃描器三維成像技術。其特點是具有相位測距法的高距離解析度和現成的像增強器+CCD的高像素的優點；但其採用連續光源，測距範圍受到局限，在背景光較強時效果不佳。美國AretéAssociates公司發明了STIL(Streak Tube Imaging Lidar)無掃描器三維成像技術。因為該方法的可成像距離較遠，但在一定象素率的CCD陣列條件下，距離的解析度(級數)和空間解析度成反比，因此距離測量精度和空間解析度不可兼得。另外，美國林肯實驗室、瑞士電子與微技術研究中心等研究機構正在開發基於高速光脈衝響應的集成電路的無掃描器三維成像技術，該方法可探測距離遠，但目前其測距精度稍低，空間解析度較低。

發明內容
本實用新型的目的在於提供一種無掃描器脈衝調製式三維成像系統。
本實用新型解決其技術問題所採取的技術方案是無掃描器脈衝調製式三維成像系統包括脈衝雷射器，擴束系統，光纖修正裝置，成像裝置，功能光接收器組，攝像機組，調製信號控制器，圖像處理裝置。驅動脈衝雷射器發出脈衝通過擴束系統後，分成兩部分，一部分光照明被測場景，通過成像裝置進入功能光接收器組，另一部分光經光纖修正裝置接功能光接收器組，功能光接收器組輸出經攝像機組與圖像處理裝置電連接，調製信號控制器分別與功能光接收器組、攝像機組和圖像處理裝置電連接；調製信號控制器與脈衝雷射器電連接、或者脈衝雷射器發出的光脈衝經第一分束鏡接調製信號控制器。
無掃描器脈衝調製式三維成像方法採用脈衝雷射器光源，光脈衝經擴束系統照亮目標後被光學成像系統接收並成像在受控的功能光接收器組接收面上，用攝像機組收集功能光接收器組的輸出光信號，對同一場景，在不同強度的光脈衝照明或功能光接收器的增益為不同時間變量函數的條件下，獲取兩幅或兩幅以上強度圖像，在脈衝雷射器光輸出端用分束裝置分束部分光能並對之進行測量，將測量值作為修正光強值；用圖像處理模塊對收集到的圖像系列中的每個像素點光強數值和修正光強值進行運算處理，計算出圖像中每一個象素點對應場景的距離，生成三維圖像。
本實用新型具有的有益的效果是脈衝雷射器發出光脈衝照明被測場景；反射光經成像系統輸入至功能光接收器；其輸出接攝像機組；攝像機組的輸出接圖像處理裝置；調製信號控制器的一路控制脈衝雷射器或者探測雷射脈衝；一路控制功能光接收器組和攝像機組，同時將信號傳輸給圖像處理裝置。功能光接收器的增益為時間變量函數。通過獲得兩幅或兩幅以上不同強度雷射脈衝照明或功能光接收器的增益為不同時間變量函數的條件下的強度圖像，通過計算生成一幅三維圖像。該測距系統沒有機械掃描部件。本實用新型對脈衝光源穩定性要求低，像增強器調製簡單；具有成本低，抗背景光幹擾能力強，可測距離長，精度高，可達視頻幀率三維成像的優點。


圖1是本實用新型的結構原理示意圖；圖2(a)是像增強器增益為常數時間變量函數時的增益隨時間變化曲線；圖2(b)是像增強器增益為線性時間變量函數時的增益隨時間變化曲線。
具體實施方式
無掃描器脈衝調製式三維成像方法採用脈衝雷射器光源，光脈衝經擴束系統照亮目標後被光學成像系統接收並成像在受控的功能光接收器組接收面上，用攝像機組收集功能光接收器組的輸出光信號，對同一場景，在不同強度的光脈衝照明或功能光接收器的增益為不同時間變量函數的條件下，獲取兩幅或兩幅以上強度圖像，在脈衝雷射器光輸出端用分束裝置分束部分光能並對之進行測量，將測量值作為修正光強值；用圖像處理模塊對收集到的圖像系列中的每個像素點光強數值和修正光強值進行運算處理，計算出圖像中每一個象素點對應場景的距離，生成三維圖像。
如圖1所示，無掃描器脈衝調製式三維成像系統包括脈衝雷射器1，擴束系統2，光纖修正裝置3，成像裝置4，功能光接收器組5，攝像機組6，調製信號控制器7，圖像處理裝置8。驅動脈衝雷射器1發出脈衝通過擴束系統2後，分成兩部分，一部分光照明被測場景，通過成像裝置4進入功能光接收器組5，另一部分光經光纖修正裝置3接功能光接收器組5，功能光接收器組5輸出經攝像機組6與圖像處理裝置8電連接，調製信號控制器7分別與功能光接收器組5、攝像機組6和圖像處理裝置8電連接；調製信號控制器7與脈衝雷射器1電連接、或者脈衝雷射器1發出的光脈衝經第一分束鏡1.1接調製信號控制器7。
所述的脈衝雷射器1是Nd:YAG脈衝雷射器或喇曼位移的Nd:YAG脈衝雷射器。
所述的擴束系統2是雷射擴束鏡。
所述光纖修正裝置3是由第二分束鏡3.1經長短不同光纖組成的光纖束和光衰減器3.2組成，另一部分光經第二分束鏡3.1、光衰減器3.2接功能光接收器組5。
所述的成像裝置4是裝有窄帶濾波片的照相機鏡頭或光學成像鏡頭組。
所述的功能光接收器組5是一個或多個(一般為2-4個)普通微通道板像增強器MCP或者由若干單獨可調製部分組成的複合型MCP。
所述的攝像機組6是一個或多個普通的攝像機或高速攝像機。
所述的圖像處理裝置8是個人計算機、DSP數位訊號處理系統或者嵌入式處理器。
三維測距成像方法光從脈衝雷射器出發經場景反射到成像裝置所經過的時間t和場景到成像裝置的距離x有如下關係t＝2x/V(1)V為該種波長的光在介質中的傳播速度。
在有光脈衝照明場景、噪音和背景光相對可忽略，光脈衝的持續時間相對非常短且每個脈衝的能量基本相等，場景在測量時間內基本不變化的情況下，對功能光接收器施加的調製分別為f1(t)和f2(t)，在攝像機接採集到的圖像中第y行z列個像素的光能有I1＝rf1(t)Ip(2)I2＝rf2(t)Ip(3)
其中r為與第y，z個像素對應的場景和光介質有關的比例常數，Ip為光脈衝能量。
因此由(1)，(2)，(3)可以求出x=g-1(I2I1)---(4)]]>其中g(x)=f2(2x/V)f1(2x/V)---(5)]]> 為g(x)的逆函數。
容易看出，只要g(x)在測量區間內是一致單調函數，就可以保證x有唯一數值，從而由(4)式得到對應像素點的距離信息，最終生成三維圖像。
但光脈衝的持續時間往往不可忽略，每次的脈衝功率形狀和能量也有變化，背景光和系統噪音會造成測量精度的下降。因此，要獲得較高精度的距離圖像可以採用增加強度圖像的數目、選擇合適的照明條件、功能光接收器增益時間變量函數和採用實時修正值的辦法。一種具體的方案見具體實施方式
。
生成一幅三維圖像實際上分成兩個步驟第一步是收集到數幅在不同種條件下獲得的強度圖像和實時修正光強值；第二步通過對修正光強值和各個象素點的光強進行運算獲得每個象素點對應場景的距離，生成一幅三維圖像。一幅強度圖像是在確定的某種強度範圍的光脈衝照亮場景和確定的功能光接收器增益時間變量函數狀態下，通過一次或多次曝光得到的。在獲得一幅強度圖像的同時，其中的一些由光纖修正系統曝光的象素點光強值被用作修正光強值。如果功能光接收器組由多個功能光接收器或是由數個可單獨調製部分組成的功能光接收器，強度圖像的每次曝光可採用交錯方式；這樣可以提高三維成像的幀率並減少場景變化的影響。
下面以一個用四幅強度圖像和修正光強值的例子說明MCP的輸出光強與輸入光強和增益乘積成正比。在設定MCP為固定增益的情況下，對場景在有光脈衝照明和沒有光脈衝照明(即脈衝強度為0)條件下各攝製一幅強度圖像。在設定MCP增益為線性增時間變量函數的情況下，對場景在有光脈衝照明和沒有光脈衝照明條件下各攝製一幅強度圖像。強度圖像時是通過一次或若干次曝光獲得的。獲得四幅強度圖像和修正光強值後，可以計算出一幅距離圖像。
1、在場景被光脈衝照明，MCP的增益為常數時間變量函數時(如圖2a所示)的情況下，攝像機獲得的強度圖像中某象素點光能E1可以表示如下E1＝A(rEP1+IbTG)+EN1(6)其中A為MCP的增益，r為某個常數，與該象素點對應的場景和光脈衝經過的光介質有關，EP1為該次光脈衝的總能量數值，Ib為該點對應場景的背景光功率，TG為固定增益的時間長度，EN1為在該條件下的系統和背景在該象素點的噪音造成的等效光能。
2、在沒有光脈衝照明，MCP的增益為固定的情況下，同一象素點光能E2可表示如下E2＝AIbTG+EN1(7)3、在場景被光脈衝照明，MCP被施加線性調製(如圖2b所示)的情況下，同一象素點光能E3可以表示如下E3=0TGIb(B+kt)dt+0Tp2rIp2(t)(B+A-BRx+kt)dt+EN2---(8)]]>其中B為線性調製開始時的MCP增益值，k為線性調製函數的斜率，Ip2(t)為該次脈衝光功率的時間分布函數，x為該象素點對應場景的距離，R為測量的最大距離，EN2為在該條件下的系統和背景在該象素點的噪音造成的等效光能。
4、在沒有光脈衝照明，MCP被施加線性調製的情況下，同一象素點光能E4可以表示如下E4=0TGIb(B+kt)dt+EN2---(9)]]>5、在有光脈衝照明，MCP的增益為固定的情況下，平均光程為L1光纖連接處對應的象素點的光能E1L1為E1L1=AEP1+EN3---(10)]]>其中α與光纖系統有關，EN3為在該條件下的系統和背景在該象素點的噪音造成的等效光能。
6、在沒有光脈衝照明，MCP的增益為固定的情況下，平均光程為L1光纖連接處對應的象素點的光能E2L1為E2L1=EN3---(11)]]>7、在有光脈衝照明，MCP被施加線性調製的情況下，平均光程為L1光纖連接處對應的象素點的光能E3L1為E3L1=0Tp2Ip2(B+A-B2RL1+kt)dt+EN4---(12)]]>EN4為在該條件下的系統和背景在該象素點的噪音造成的等效光能。
8、在沒有光脈衝照明，MCP被施加線性調製的情況下，平均光程為L1光纖連接處對應的象素點的光能E4L1為E4L1=EN4---(13)]]>9、類似的，平均光程為L2的光纖對應象素點在和平均光程為L2的光纖連接處對應象素點在四種不同條件下獲取的4個光能值分別為E1L2=AEP1+EN5---(14)]]>
E2L2=EN5---(15)]]>E3L2=0Tp2Ip2(B+A-B2RL2+kt)dt+EN6---(16)]]>E4L2=EN6---(17)]]>EN5，EN6為在該條件下的系統在該象素點的噪音造成的等效光能。
根據以上(6)到(17)式，可以求出x=(E1L2-E2L2)(E3-E4)(L2-L1)+(E1-E2)(E3L1-E4L1)L2-(E3L2-E4L2)L12(E3L1-E4L1)-(E3L2-E4L2)(I1-I2)---(18)]]>L1，L2是可預先測量或標定的，設計時應該使L1接近R，L2大約為2R。
一旦確定L1，L2以後，就可以通過(13)式計算出每一象素點對應場景的距離，在該方案中，每獲得四幅強度圖像生成一幅距離圖像。
權利要求1.一種無掃描器脈衝調製式三維成像系統，其特徵在於包括脈衝雷射器(1)，擴束系統(2)，光纖修正裝置(3)，成像裝置(4)，功能光接收器組(5)，攝像機組(6)，調製信號控制器(7)，圖像處理裝置(8)；驅動脈衝雷射器1發出脈衝通過擴束系統(2)後，分成兩部分，一部分光照明被測場景，通過成像裝置(4)進入功能光接收器組(5)，另一部分光經光纖修正裝置(3)接功能光接收器組(5)，功能光接收器組(5)輸出經攝像機組(6)與圖像處理裝置(8)電連接，調製信號控制器(7)分別與功能光接收器組(5)、攝像機組(6)和圖像處理裝置(8)電連接；調製信號控制器(7)與脈衝雷射器(1)電連接、或者脈衝雷射器(1)發出的光脈衝經第一分束鏡(1.1)接調製信號控制器(7)。
2.根據權利要求1所述的一種無掃描器脈衝調製式三維成像系統，其特徵在於所述光纖修正裝置(3)是由第二分束鏡(3.1)經長短不同光纖組成的光纖束和光衰減器(3.2)組成，另一部分光經第二分束鏡(3.1)、光衰減器(3.2)接功能光接收器組(5)。
3.根據權利要求1所述的一種無掃描器脈衝調製式三維成像系統，其特徵在於所述的成像裝置(4)是裝有窄帶濾波片的照相機鏡頭或光學成像鏡頭組。
4.根據權利要求1所述的一種無掃描器脈衝調製式三維成像系統，其特徵在於所述的功能光接收器組(5)是一個或多個普通微通道板像增強器MCP或者由若干單獨可調製部分組成的複合型MCP。
5.根據權利要求1所述的一種無掃描器脈衝調製式三維成像系統，其特徵在於所述的攝像機組(6)是一個或多個普通的攝像機或高速攝像機。
6.根據權利要求1所述的一種無掃描器脈衝調製式三維成像系統，其特徵在於所述的圖像處理裝置(8)是個人計算機、DSP數位訊號處理系統或者嵌入式處理器。
專利摘要本實用新型公開了一種無掃描器脈衝調製式三維成像系統。脈衝雷射器發出光脈衝照明被測場景；反射光經成像系統輸入至功能光接收器；其輸出接攝像機組；攝像機組的輸出接圖像處理裝置；調製信號控制器的一路控制脈衝雷射器或者探測雷射脈衝；一路控制功能光接收器組和攝像機組，同時將信號傳輸給圖像處理裝置。功能光接收器的增益為時間變量函數。通過獲得兩幅或兩幅以上不同強度雷射脈衝照明或功能光接收器的增益為不同時間變量函數的條件下的強度圖像，通過計算生成一幅三維圖像。該測距系統沒有機械掃描部件。本實用新型對脈衝光源穩定性要求低，像增強器調製簡單；具有成本低，抗背景光幹擾能力強，可測距離長，精度高，可達視頻幀率三維成像。
文檔編號G02B27/10GK2773729SQ20052010119
公開日2006年4月19日 申請日期2005年3月25日 優先權日2005年3月25日
發明者張秀達, 嚴惠民 申請人:浙江大學