遠心光闌3維照相機及方法
2023-05-29 05:42:46
專利名稱：遠心光闌3維照相機及方法
技術領域：
與背景本發明涉及三維照相機(camera)，更確切地說，涉及精確判定到場景中各個物體和物體各部分的距離的系統。
已經知道有各種技術用於產生場景的三維圖象，即，除了指示場景中物體的橫向範圍，還指示了由某一參考點，例如照相機位置，到該物體或物體的一部分的相對或絕對距離的二維圖象。
通常至少有三種基本技術用於產生這種圖象。一種技術中，雷射或類似的射線源用於向場景中的特定點發射一個脈衝。檢測反射脈衝，並將所經歷的時間除以2，用來估計到該點的距離。為了獲得場景中不同點的距離，用此源向場景中連續的點發射一系列脈衝，以掃描場景。
然而，在另一種技術中，不是通過測量經過的時間，而是通過測量相移，來估計距離。在此，整個場景或場景的一部分也必須以一次一點的方式掃描。
在第三種技術中，也涉及掃描，用至少一個單個的射線源和相應的檢測器，利用三角測量技術判定場景中特定點的距離，該檢測器具有適當的光學結構，以一種與被測物體距離有關的方式作用於反射光。
以上所述的三種技術的主要缺點在於都需要逐點地，或逐線地掃描，以判定場景中各物體的距離。這種掃描極大地增加了系統的幀象周期，要求昂貴的掃描設備，必須使用快速，功能強的計算裝置和複雜的編程。
因此人們普遍認為需要一種方法和系統，而且這種方法和系統能夠便利地實現，此方法和系統在不需要掃描和複雜的技術能力的情況下，可以快速，容易地判定場景中各點的距離。
發明概要按照本發明，提供一種遠心光闌系統，用於產生指示到場景中各物體的距離的圖象，該系統包括(a)射線源，用於把源射線對準場景；(b)檢測器，用於檢測由場景中物體反射來的射線強度；(c)源調製器，用於調製射線源；(d)平行校正由場景中物體反射來的一部分射線的裝置；(e)反射射線調製器，用於調製由場景中物體反射來的準直射線，反射射線調製器是從包括聲光設備和電光設備的組中選出的；(f)源調製器控制裝置，用於控制源調製器；以及(g)反射射線調製器控制裝置，用於控制檢測器調製器。
按照本發明的一個優選實施方案，源調製器控制裝置與檢測器調製器控制裝置同時控制源調製器與檢測器調製器。
按照以下描述的本發明優選實施方案的另一特徵，源射線的調製器與反射射線的調製器分別用於交替地堵住與開啟或者交替地啟動與關閉源射線和反射射線。
仍按照所述優選實施方案的另一特徵，射線源是可見光源，例如雷射，檢測器包括照相膠片或攝像機傳感器，例如電荷耦合的裝置(CCD)。
仍按照另一特徵，該方法還包括處理由場景中物體反射來的射線強度，以判定物體的距離，在最優實施方案中，還包括將在一個相對連續的輻射與檢測期間檢測到的強度和在源與檢測器調製期間檢測到的強度比較。
仍按照本發明，提供一種方法，用於產生指示到場景中各物體的距離，該方法包括(a)用射線源把源射線對準場景；(b)檢測由場景中物體反射來的射線強度；(c)用射線源調製器調製射線源；(d)平行校正由場景中物體反射來的一部分射線；(e)調製由場景中物體反射來的平行射線，反射射線的調製由調製裝置完成，該調製裝置是從包括聲光設備和電光設備的組中選出的；(f)控制源調製器；以及(g)控制檢測器調製器。
按照另一特徵，該方法還包括處理由場景中物體反射來的射線強度。
在一個優選實施方案中，處理包括將在一個相對連續的輻射與檢測期間檢測到的強度和在源與檢測器調製期間檢測到的強度比較。
本發明通過提供一處不需昂貴而且耗時的場景掃描就可以快速容易地判定場景中各部分的距離的方法和系統，從而成功地解決了現在所知的構造的缺點。
附圖簡述在此，發明僅以示例形式，參考附圖描述，其中
圖1A所示為按照本發明的系統和方法的一種可能構造。
圖1B所示為按照本發明的系統和方法的第二種可能構造。
圖2所示為可能用於本發明的系統和方法的典型的調製方案。
圖3所示為可能採用的另一種調製方案。
圖4所示為可用於增強按照本發明的系統和方法的精度的另一種調製方案。
優選方案的描述本發明是一種可用於判定場景，尤其是相當近的場景的各部分的距離的系統和方法。
按照本發明的系統和方法的原理與操作，參考附圖描述，可能能更好地理解。
現參考附圖，圖1A和圖1B所示為按照本發明的系統的兩個示例性構造。
參考圖1A的系統，射線源10把射線對準所觀測的場景11。為示例起見，圖示的場景包括一個三維物體，在此參考物體各部分，相對遠和近分別用「A」和「B」表示。所用射線可以是任何適當的射線，它對所測距離來說有適當的波長，還具有其他適當的特性，這一點從後面的討論中會更清楚。對大部分應用，射線是可見的或紅外射線，例如雷射射線或頻閃光。
系統還包括檢測器12，用於檢測由場景中的物體反射來的射線強度。被測射線是源射線中照射到場景中的物體上，並且反射回檢測器12的那部分射線。所用檢測器可以是任何適當的檢測器，它具有適當的解析度和適當的灰度等級，該檢測器包括但不限於照相膠片照相機，電子照相機和攝像機，例如CCD照相機。
系統包括射線源調製器，圖示標號為16，用於調製射線源10或源射線。系統還包括檢測器調製器18，用於調製送往檢測器12的反射射線。
在此所用的「調製」，旨在包括操作等級的任何變化，或者射線源10或源射線與/或反射射線的任何操作參數，還包括但不限於射線源10或源射線與檢測器12或反射射線交替地堵住或開啟以及交替地啟動或關閉。
各種裝置可用於調製射線源10或源射線與反射射線。例如，可用一個適當的光闌17或類似元件周期性地堵住源射線。
可用於調製射線源10的其他裝置包括各種高頻電子調製裝置，用於周期性地關閉射線源10與/或檢測器12。圖1所示的源調製器16是用於解釋用電子學方法啟動和關閉射線源10的有關概念。
可以設想各種用於調製檢測器12的裝置，包括類似於上述的調製射線源10的裝置。最好反射射線藉助於各種電光調製器來調製，例如KDP(KH2PO4)或其他任何具有調製或轉換光的能力的電光晶體，或具有快速精確調製能力或者最好有選通能力的鈮酸鋰與液晶。
注意，當在說明書或權利要求中涉及射線源調製器或者射線源的調製時，應理解為涉及射線源本身的調製與/或源射線的調製。
按照本發明的系統包括微型光闌40，由物體11反射來的一些射線可以通過它。通過光闌40的射線然後再用至少一個平行校正的物體透鏡42進行平行校正。光闌40基本上位於平行校正物體透鏡42的焦點上。
平行的射線然後通過一個適當的聲光裝置或電光晶體，例如KDP18，它用於調製或選通裝置。
從KDP18出來的調製射線通過至少一個圖象透鏡44，該透鏡將調製射線通過出口光闌46，該光闌基本上位於圖象透鏡44的焦點上。通過出口光闌46的射線然後照射到適當的檢測器，例如CCD傳感器12上。
最後，按照本發明的系統包括控制源調製器16和檢測器調製器18的機構。最好用於控制源調製器16和檢測器調製器18的機構以協調方式運行，或者，更好一些，採用同一機構20，以便於同時控制源調製器16和檢測器調製器18。
同時控制可能是同步的，以便於射線源10和檢測器12的操作以相同方式在同一時間，即同步地完成。然而，同時控制不限於這種同步控制，許多其他的控制也是可能的。例如，不以任何方式限制本發明的範圍，在堵住和開啟控制的情況下，在每個周期內射線源10和檢測器12打開的持續時間可以不同，與/或在每個周期內檢測器12的開啟可以滯後於射線源10的開啟。
按照本發明的系統還包括一個適當的處理器22，它分析由檢測器12檢測到的射線強度，並且判定與被測場景中各物體及物體各部分的距離。處理器22的操作在後面有詳細解釋。
按照本發明的系統的一種變化在圖1B中描述。圖1B的結構與圖1A有若干不同，其主要之處在於圖1B中源和反射射線的調製由KDP18完成。圖1B的構造的這一特點決定了系統構造的一些變化。因此，射線源10現由側邊輸入到KDP18。束分離器50用於將源射線中的重要部分折射到物體11，並且能使從物體11來的反射射線在到達CCD傳感器12的途中，通過KDP18。控制KDP18的調製的機構20′也做了修改，因為只有一個裝置需要調製，而不是象圖1A的構造中兩個分開的裝置需同步控制。
在操作中，按照本發明的典型系統，它用雷射作射線源，用CCD傳感器作檢測器，利用同步切換來調製源和檢測器，該系統以如下方式操作。射線源(例如雷射)10或源射線被調製，KDP18以與源射線調製同步的方式調製通過它的反射射線。在圖1B的構造中，KDP18既調製源射線，又調製反射射線。
一類方波調製如圖2所示，符號「CCD」用於表示反射射線通過KDP18時的調製。因此，在每個周期，雷射10和反射射線都是在時間段「a」上是激活的，在時間段「b」上是關閉的。時間段「a」和「b」可以是相等的或不相等的。選擇雷射10的波長及時間段「a」，以便於從雷射10發出的光能夠到達所感興趣的最遠物體，並且能夠反射回CCD12。
時間段「a」的選取以一個簡單例子說明。假設圖1A和1B中被測場景到源或檢測器的最大距離大約為50米，即物體A和B離檢測器和源的距離都在50米以內，從源出發的光到達最遠物體，再返回檢測器，在穿過100米的距離所花時間為0.33微秒。因此，時間段「a」應大約為0.33微秒。
按照本發明的系統和方法基於這種思想，即在每個周期內，近物體把光反射到檢測器持續的時間比遠物體要長。在每個周期內，被檢測的反射光持續時間的不同，在檢測器上就轉化為不同的強度或灰度等級。因此，例如，如果假定物體B上的某一點到源與/或檢測器的距離為幾米，物體A上的一點要比物體B上的遠一點。那麼從B上的點反射的光在檢測周期的激活部分(見圖2)到達檢測器的時間相對早一些，並且檢測器連續接收此光，直到在檢測周期的激活部分結束時檢測器被關閉。由B上的點反射的光在時間「a」連續地到達檢測器，該時間「a」對應於輻射時間(見圖2上的點劃線)。但是這些反射射線當處於檢測器被關閉或堵住的時間之外的部分是不會被檢測器接收到的，也不會對由檢測器相應的像素表示的強度有影響。
相比較而言，從物體A上的點反射的光在檢測周期的激活部分到達檢測器要遲一些，而也將連續地被檢測器接收，直到檢測器關閉。
結果，從物體B上的點反射的光被接收的時間要比物體A上的點反射的光長(見圖2陰影區)。檢測器滿足在每個周期每個像素灰度等級的強度對應於在每個周期被該像素接收的射線的持續時間。因此，強度或灰度等級可以轉換為物體上點的相對或絕對距離。
如上所述，例子中所述及圖2所表示的同步開/關操作不是唯一可能的操作模式。其他調製也可以採用。例如，射線源與/或檢測器可以如圖3所示被諧波調製。
為了避免獲得來自不感興趣的區域的遠處物體的錯誤信號，可能希望增加源/檢測器關閉的持續時間「b」，以便於從不感興趣的遠處物體來的反射射線大部分是在檢測器開閉期間到達檢測器的，因此不會影響由檢測器相應像素檢測的強度。因而，適當選取時間段「b」可以確保只有來自希望檢測區域以內的物體的反射射線在每個特殊期間內被接收，因此使強度圖象的描述容易些。
很容易理想，在某一應用中，場景中各種物體的不同部分可以有不同的反射率。反射率的不同導致物體的各部分有不同的色彩、結構和角度。因此，與源/檢測器距離相同的兩點可能被檢測為具有不同的強度。如上所述，可能導致基於強度的距離指示錯誤。
可能很容易對不同的被測物體或物體的不同部分的反射率做補償。眾所周知，通過檢測器的像素連續接收來自場景中某一部分的射線而檢測的強度與所測場景那部分的反射率成正比，與所測場景那部分與檢測器之間的距離平方成反比。
很容易看出，當脈衝射線源，如上所述的那些射線源被採用時，通過檢測器的像素連續接收來自場景中某一部分的射線而檢測的強度與所測場景那部分的反射率成正比，而與所測場景那部分與檢測器之間的距離的三次方成反比。
因此，為了補償不同發射性的影響，可以既採用連續發射，也採用脈衝發射。這種周期的一個示例見圖4。其中射線源和檢測器激活的時間相同長，以為場景中的物體提供連續強度。源和檢測器周期性地被關閉，並且源和檢測器是脈衝式的，與參考基本實施方案描述的方式相同，採用一個或多個，最好一串脈衝。
在周期的脈衝部分，檢測的使用如上所述。然而，除此而外，在周期的長激活期間，連續檢測是用來校正，或歸一化距離，並且補償反射率的不同。補償可以用任何便利的方法來完成，例如，連續期間的每個像素的強度，除以脈衝期間同一像素的強度，兩者的商與由該像素所測的區域的距離成正比。
儘管本發明只提供了有限的幾個實施方案，但應當理解本發明的變化、修改及其它應用也是可以的。
權利要求
1.用於產生指示到場景中物體的距離的圖象的裝置，包括一個調製的射線源，它把射線對準場景；一個遠心光闌光學系統，它接收由場景反射來的射線，並且將該射線準直化；一個調製器，它調製經準直的射線；一個檢測器，它檢測由調製的準直射線形成的圖象；及一個處理器，它形成圖象，該圖象帶有指示從該裝置到物體的距離的強度值的分布，它對應於檢測圖象的強度分布。
2.按照權利要求1的裝置，其中源和檢測器是瞄準的。
3.按照權利要求2的裝置，其中射線源包括一個連續的射線源，它與被測的射線以同一調製器調製。
4.用於產生指示場景中物體的距離的圖象的裝置，包括一個調製的射線源，它把射線沿一條軸對準場景；一個遠心光闌光學系統，它接收由場景反射來的射線，並且將該射線沿所述軸準直；一個調製器，它調製經準直的射線；一個檢測器，它檢測由調製的準直射線形成的圖象；一個處理器，它形成圖象，該圖象帶有指示從該裝置到物體的距離的強度值的分布，並且對應於檢測圖象的強度分布。
5.按照以上任一權利要求的裝置，包括一個聚焦透鏡，它接收調製的準直射線並在檢測器上聚焦。
6.按照權利要求1-4之任一個的裝置，其中調製器是一個KDP調製器。
7.按照權利要求1-4之任一個的裝置，其中調製器是一個聲光裝置。
全文摘要
用於產生指示場景中物體的距離的圖象的裝置,包括:一個調製的射線源,它把射線對準場景;遠心光闌光學系統,它接收由場景反射來的射線,並且將該射線水平校正;一個調製器,它調製經水平校正的射線;一個檢測器,它檢測由調製的水平校正射線形成的圖象;一個處理器,它形成圖象,該圖象帶有指示從該裝置到物體的距離的強度值的分布,並且對應於檢測圖象的強度分布。
文檔編號H04N13/04GK1253636SQ96196354
公開日2000年5月17日 申請日期1996年6月20日 優先權日1995年6月22日
發明者G·雅哈, G·I·伊丹 申請人:3Dv系統有限公司