專利名稱：一種距離選通超分辨率三維成像裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光三維成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種距離選通超分辨率三維成像裝置及方法。
背景技術(shù)：
針對傳統(tǒng)三維成像技術(shù)存在的作用距離近(如結(jié)構(gòu)光成像、雙目立體視覺成像)、 空間分辨率低(如閃光激光成像雷達(dá))的問題，人們發(fā)展了距離選通三維成像技術(shù)。該距離選通三維成像技術(shù)是一種新型的三維成像技術(shù)，利用距離選通成像技術(shù)獲取目標(biāo)空間切片圖像，并基于此反演目標(biāo)的三維空間信息，具有空間分辨率高(像素數(shù)可大于 1000X1000)、作用距離遠(yuǎn)(幾千米)、破霧雨雪成像等特點(diǎn)，在機(jī)器人視覺、虛擬現(xiàn)實、目標(biāo)偵察、航天探測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
典型的距離選通三維成像技術(shù)是2004年丹麥科技大學(xué)J. Busck提出的距離選通步進(jìn)延時掃描三維成像(J. Busck and H. Heiselberg,“Gated viewing and high-accuracy three-dimensional laser radar”，AppI. Opt. , Vol. 43 (24), 4705-4710 (2004) ·),利用選通成像在距離向上小步長步進(jìn)獲取不同距離下的切片圖像，然后通過大量的距離切片反演出目標(biāo)的距離，但是，該方法本質(zhì)上是一種掃描機(jī)制的成像方法，欲獲得高的距離分辨率， 需在較小延時步進(jìn)補(bǔ)償下獲取目標(biāo)大量的距離切片圖像，然后處理大量數(shù)據(jù)，因此，實時性較差。
為了解決距離選通步進(jìn)延時掃描三維成像存在的問題，2007年底德法圣路易斯研究院M. Laurenzis提出了一種新的距離選通激光三維成像技術(shù)(Martin Laurenzis, Frank Christnacher,and David Monnin,Long-range three-dimensional active imaging with superresolution depth mapping, Opt. Lett.，Vol. 32 (21)，3146-3148 (2007).)，該技術(shù)利用激光脈沖和選通脈沖的卷積作用獲取具有梯形包絡(luò)的空間切片，通過相鄰兩幅切片圖像間的圖像灰度比與距離能量比之間的映射關(guān)系實現(xiàn)目標(biāo)三維空間信息的快速反演，不但解決實時性差的問題，同時解決了高距離分辨率依賴高性能器件的問題，達(dá)到了利用低性能器件獲得與傳統(tǒng)技術(shù)高性能器件相媲美的距離分辨率。但是，該技術(shù)在距離信息反演中，相鄰切片間的灰度比動態(tài)范圍小，導(dǎo)致對背景噪聲擾動敏感，較小的灰度比變化就會產(chǎn)生較大的距離反演誤差，從而降低了距離分辨率，影響了其在低對比度目標(biāo)探測、遠(yuǎn)距離身份識別、逆向工程、航天器軟著陸等領(lǐng)域的應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題
針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，本發(fā)明的主要目的在于提出一種距離選通超分辨率三維成像裝置及方法，以達(dá)到快速、高分辨率獲取目標(biāo)三維空間信息的目的。
( 二 )技術(shù)方案
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種距離選通超分辨三維成像裝置，該裝置包括觸摸屏顯示器8、中心處理器9、時序控制器10、脈沖激光器11、照明光學(xué)鏡頭12、選通面陣成像器件13和成像光學(xué)鏡頭14 ;其中，脈沖激光器11和照明光學(xué)鏡頭12連接構(gòu)成照明單元；選通面陣成像器件13和成像光學(xué)鏡頭14連接構(gòu)成成像單元；觸摸屏顯示器8、中心處理器9和時序控制器10構(gòu)成系統(tǒng)控制及顯示單元。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種距離選通超分辨率三維成像方法，應(yīng)用于所述的距離選通超分辨率三維成像裝置，該方法采用脈沖激光器作為照明光源，采用選通面陣成像器件接收目標(biāo)回波信號，利用距離選通成像構(gòu)造具有三角形距離能量包絡(luò)的空間切片，并在三維成像工作時序下獲取前視視場的二維切片圖像，然后基于攝像機(jī)坐標(biāo)系建立二維切片圖像與三維空間切片的對應(yīng)關(guān)系，由相鄰切片圖像間重疊區(qū)像素灰度比與距離能量比之間的映射關(guān)系反演出二維切片圖像每個像素對應(yīng)的三維空間單元的距離信息，從而獲得前視視場的距離圖，然后基于該距離圖通過攝像機(jī)針孔模型反演出每個像素對應(yīng)的空間單元的三維空間信息，實現(xiàn)三維成像。
(三)有益效果
從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果
I、利用本發(fā)明，由于最少可通過兩幅圖像便可反演出目標(biāo)的三維信息，所以與傳統(tǒng)的距離選通步進(jìn)延時掃描三維成像相比，本發(fā)明的原始數(shù)據(jù)量和處理數(shù)據(jù)量大大減少， 且大大提聞了系統(tǒng)的時效性。
2、利用本發(fā)明，由于采用了具有三角形距離能量包絡(luò)的空間切片對前視視場進(jìn)行切片成像，并基于相鄰切片間重疊區(qū)三角形距離能量包絡(luò)建立距離能量比與相鄰切片圖像像素灰度比間映射關(guān)系，實現(xiàn)目標(biāo)的距離信息的獲得，所以相比于M. Laurenzis的基于梯形距離能量包絡(luò)反演目標(biāo)距離信息，本發(fā)明擴(kuò)展了圖像灰度比的動態(tài)范圍，大大提高了距離分辨率，降低了對噪聲擾動的敏感度。
3、利用本發(fā)明，由于三維成像過程中采用距離選通成像獲取前視視場的切片圖像，所以本發(fā)明可很好的抑制大氣等的后向散射，在霧雨雪等惡劣天氣環(huán)境下仍可有效工作。


圖I是本發(fā)明提供的距離選通超分辨三維成像的工作原理；
圖2是本發(fā)明提供的距離選通超分辨三維成像裝置的框架圖3是本發(fā)明提供的像平面坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系的示意圖4是對本發(fā)明提供的距離選通超分辨率三維成像進(jìn)行驗證實驗的結(jié)果示意圖。
圖中主要元件符號說明
I距離選通超分辨率三維成像裝置，2空間切片(三維立體采樣區(qū))，3切片圖像m， 4切片圖像m+1，5重疊區(qū)，6三維圖像，7空間單元，8觸摸屏顯示器，9中心處理器，10時序控制器，11脈沖激光器，12照明光學(xué)鏡頭，13選通面陣成像器件，14成像光學(xué)鏡頭。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
在此公開本發(fā)明結(jié)構(gòu)實施例和方法的描述?？梢粤私獾氖遣⒉灰鈭D將本發(fā)明限制在特定公開的實施例中，而是本發(fā)明可以通過使用其它特征，元件方法和實施例來加以實施。不同實施例中的相似元件通常會標(biāo)示相似的號碼。
如圖I和圖2所示，本發(fā)明提供的距離選通超分辨率三維成像裝置I包括觸摸屏顯示器8、中心處理器9、時序控制器10、脈沖激光器11、照明光學(xué)鏡頭12、選通面陣成像器件13和成像光學(xué)鏡頭14。該距離選通超分辨率三維成像裝置I采用脈沖激光器11作為照明光源，采用選通面陣成像器件13接收目標(biāo)回波信號，工作中，利用距離選通成像構(gòu)造具有三角形距離能量包絡(luò)的空間切片2，并在三維成像工作時序下獲取前視視場的二維切片圖像，然后基于攝像機(jī)坐標(biāo)系建立二維切片圖像與三維空間切片2的對應(yīng)關(guān)系，由相鄰切片圖像間重疊區(qū)5像素灰度比與距離能量比間的映射關(guān)系反演出二維切片圖像每個像素對應(yīng)的三維空間單元7的距離信息，從而獲得前視視場的距離圖，然后基于該距離圖通過攝像機(jī)針孔模型反演出每個像素對應(yīng)的空間單元7的三維空間信息，實現(xiàn)三維成像。
在距離選通超分辨率三維成像裝置I中，脈沖激光器11可采用具有方波時域脈形的半導(dǎo)體激光器，在TTL觸發(fā)信號觸發(fā)下輸出具有方波時域脈形的激光脈沖，并經(jīng)照明光學(xué)鏡頭12發(fā)射對前視視場內(nèi)目標(biāo)進(jìn)行照明，當(dāng)激光傳至目標(biāo)后被目標(biāo)散射或發(fā)射形成后向傳播的回波信號。選通面陣成像器件13可選用選通ICXD(Intensified (XD)，其選通功能可由ICCD的選通門實現(xiàn)，選通門在TTL觸發(fā)信號觸發(fā)下工作，形成具有方波時域脈形的選通脈沖，選通脈沖脈寬對應(yīng)的是選通面陣成像器件13的有效曝光時間，在此曝光時間內(nèi)接收由成像光學(xué)鏡頭14收集的來自前視視場內(nèi)激光照射目標(biāo)形成的回波信號。時序控制器10可基于FPGA實現(xiàn)，產(chǎn)生所需的三維成像工作時序，輸出兩路TTL觸發(fā)信號，分別觸發(fā)脈沖激光器11和選通面陣成像器件13工作，可通過TTL信號調(diào)節(jié)激光脈沖和選通脈沖的脈寬和重復(fù)頻率，設(shè)置選通脈沖和激光脈沖間的延時；中心處理器9可基于DSP和FPGA實現(xiàn)，主要功能是處理來自選通面陣成像器件13的切片圖像，計算反演目標(biāo)的三維圖像6，并可設(shè)置照明光學(xué)鏡頭12和成像光學(xué)鏡頭14的照明視場和成像視場以及時序控制器10的工作參數(shù)；觸摸屏顯示器8可采用具有觸摸屏功能的平板顯示器，主要功能是顯示二維切片圖像或三維圖像，并可輸入系統(tǒng)參數(shù)及控制命令等。
工作中，首先利用距離選通成像構(gòu)造具有三角形距離能量包絡(luò)的空間切片2，并在三維成像工作時序下獲取前視視場的二維切片圖像。其中，距離選通成像是通過控制激光脈沖和選通脈沖間的延時實現(xiàn)的，在激光脈沖發(fā)射一定的延時后，選通面陣成像器件13的選通功能開啟形成選通脈沖，從而只接收前視視場內(nèi)特定距離的三維立體采樣區(qū)內(nèi)的回波信號，輸出二維切片圖像至中心處理器9。該二維切片圖像的像素數(shù)由選通面陣成像器件 13的像元數(shù)決定，其圖像像素數(shù)為IX J。每個切片圖像對應(yīng)一個空間切片2，即三維立體采樣區(qū)，相應(yīng)地，二維切片的每個像素對應(yīng)空間切片2的一個空間單元7，則空間切片2由IX J個空間單元7組成?；跀z像機(jī)坐標(biāo)系可建立二維切片圖像與三維空間切片2的對應(yīng)關(guān)系。選通面陣成像器件13的像元數(shù)為IXJ，其中I為選通面陣成像陣列的行數(shù)，J為選通面陣成像陣列的列數(shù)，則二維切片圖像的像素數(shù)為IXJ。如圖3所示，二維切片圖像在像平面坐標(biāo)系下像素(Xi，Yj)通過攝像機(jī)針孔模型與三維空間切片2在攝像機(jī)坐標(biāo)系下空間單元7 (Xi, Yp Zi, P可建立如下關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種距離選通超分辨三維成像裝置，其特征在于，該裝置包括觸摸屏顯示器(8)、中心處理器(9)、時序控制器(10)、脈沖激光器(11)、照明光學(xué)鏡頭(12)、選通面陣成像器件(13)和成像光學(xué)鏡頭(14);其中，脈沖激光器(11)和照明光學(xué)鏡頭(12)連接構(gòu)成照明單元；選通面陣成像器件(13)和成像光學(xué)鏡頭(14)連接構(gòu)成成像單元；觸摸屏顯示器(8)、中心處理器(9)和時序控制器(10)構(gòu)成系統(tǒng)控制及顯示單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的距離選通超分辨率三維成像裝置，其特征在于，所述脈沖激光器(11)是該距離選通超分辨率三維成像裝置的照明光源，采用具有方波時域脈形的半導(dǎo)體激光器，在TTL觸發(fā)信號觸發(fā)下輸出具有方波時域脈形的激光脈沖，并經(jīng)照明光學(xué)鏡頭(12)發(fā)射對前視視場進(jìn)行照明，當(dāng)激光脈沖傳至目標(biāo)后被目標(biāo)散射或發(fā)射形成后向傳播的回波信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的距離選通超分辨率三維成像裝置，其特征在于，所述照明光學(xué)鏡頭(12)用于發(fā)射所述脈沖激光器輸出的脈沖激光，在所述中心處理器(9)控制下可對激光的發(fā)散角進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)照明視場的控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的距離選通超分辨率三維成像裝置，其特征在于，所述選通面陣成像器件(13)是該距離選通超分辨率三維成像裝置的成像探測器件，是具有選通功能的面陣成像陣列，其選通功能由TTL觸發(fā)信號觸發(fā)工作，該選通面陣成像器件(13)像元數(shù)為IXJ，其中I為選通面陣成像陣列的行數(shù)，J為選通面陣成像陣列的列數(shù)。當(dāng)外觸發(fā)信號觸發(fā)選通面陣成像器件(13)時，選通功能開啟，形成具有方波時域脈形的選通脈沖，選通脈沖脈寬對應(yīng)的是選通面陣成像器件(13)的有效曝光時間，在此曝光時間內(nèi)接收由成像光學(xué)鏡頭(14)收集的來自前視視場內(nèi)激光照射目標(biāo)形成的回波信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的距離選通超分辨率三維成像裝置，其特征在于，所述成像光學(xué)鏡頭(14)用于收集目標(biāo)回波信號，在所述中心處理器(9)控制下能夠調(diào)節(jié)成像視場。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的距離選通超分辨率三維成像裝置，其特征在于，所述時序控制器(10)是該距離選通超分辨率三維成像裝置的時序發(fā)生器，接收來自所述中心處理器(9)發(fā)送的設(shè)置命令，產(chǎn)生該距離選通超分辨率三維成像裝置工作所需的三維成像工作時序，輸出兩路TTL觸發(fā)信號分別觸發(fā)所述脈沖激光器(11)和所述選通面陣成像器件(13)工作，實現(xiàn)所需成像功能。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的距離選通超分辨率三維成像裝置，其特征在于，所述觸摸屏顯示器(8)用于設(shè)置該距離選通超分辨率三維成像裝置的工作參數(shù)并具有圖像顯示功能，該觸摸屏顯示器具有觸摸屏功能，與所述中心處理器(9)連接，供用戶設(shè)置工作參數(shù)，同時，用于顯示中心處理器(9)處理后的三維圖像；該觸摸屏顯示器(8)還與選通面陣成像器件(13)相連，顯示選通面陣成像器件(13)輸出的二維切片圖像。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的距離選通超分辨率三維成像裝置，其特征在于，所述中心處理器(9)用于將所述觸摸屏顯示器(8)輸入的工作參數(shù)設(shè)置命令分別發(fā)送給與該中心處理器(9)相連接的所述時序控制器(10)、所述照明光學(xué)鏡頭(12)和所述成像光學(xué)鏡頭(14)，并存儲所述選通面陣成像器件(13)輸出的二維切片圖像，并對這些二維切片圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實現(xiàn)三維重構(gòu)得到三維圖像，將該三維圖像傳給所述觸摸屏顯示器(8)。
9.一種距離選通超分辨率三維成像方法，應(yīng)用于權(quán)利要求I至8中任一項所述的距離選通超分辨率三維成像裝置，其特征在于，該方法采用脈沖激光器作為照明光源，采用選通面陣成像器件接收目標(biāo)回波信號，利用距離選通成像構(gòu)造具有三角形距離能量包絡(luò)的空間切片，并在三維成像工作時序下獲取前視視場的二維切片圖像，然后基于攝像機(jī)坐標(biāo)系建立二維切片圖像與三維空間切片的對應(yīng)關(guān)系，由相鄰切片圖像間重疊區(qū)像素灰度比與距離能量比之間的映射關(guān)系反演出二維切片圖像每個像素對應(yīng)的三維空間單元的距離信息，從而獲得前視視場的距離圖，然后基于該距離圖通過攝像機(jī)針孔模型反演出每個像素對應(yīng)的空間單元的三維空間信息，實現(xiàn)三維成像。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的距離選通超分辨率三維成像方法，其特征在于，該方法中的距離選通成像是通過控制激光脈沖和選通脈沖之間的延時實現(xiàn)的，在激光脈沖發(fā)射一定的延時后，選通面陣成像器件的選通功能開啟形成選通脈沖，從而只接收前視視場內(nèi)特定距離的三維立體采樣區(qū)內(nèi)的回波信號，輸出二維切片圖像至中心處理器；該二維切片圖像的像素數(shù)由選通面陣成像器件的像元數(shù)決定；選通面陣成像器件的像元數(shù)為IXJ，其中I為選通面陣成像陣列的行數(shù)，J為選通面陣成像陣列的列數(shù)；相應(yīng)地，二維切片圖像的像素數(shù)為IXJ;每個切片圖像對應(yīng)一個空間切片，即三維立體采樣區(qū)，相應(yīng)地，二維切片的每個像素對應(yīng)空間切片的一個空間單元，則空間切片由IXJ個空間單元組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的距離選通超分辨率三維成像方法，其特征在于，所述基于攝像機(jī)坐標(biāo)系建立二維切片圖像與三維空間切片的對應(yīng)關(guān)系，是建立二維切片圖像在像平面坐標(biāo)系下像素Ui, Yj)與三維空間切片在攝像機(jī)坐標(biāo)系下空間單元(Xi, Yj, Zijj)通過攝像機(jī)針孔模型之間的關(guān)系
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的距離選通超分辨率三維成像方法，其特征在于，所述的三維成像工作時序是指脈沖激光器的激光脈沖和選通面陣成像器件的選通脈沖之間的時序關(guān)系，即每個激光脈沖對應(yīng)一個選通脈沖，且二者間存在一定的延時，該時序由時序控制器產(chǎn)生，滿足 τ m = τ 0+(m-l) Δ t m e [I, M]公式 2 公式2中，τ C1為選通脈沖和激光脈沖間的初始延時，m為空間切片的序號，M為空間切片的總數(shù)，Tm為空間切片m對應(yīng)的選通脈沖和激光脈沖間的延時，At為延時步進(jìn)步長，滿足 Δ t = tL = tg公式 3 公式3中，tL為激光脈沖脈寬，tg為選通脈沖脈寬；將在延時τ m下輸出的空間切片的圖像記為切片圖像m，該切片圖像對應(yīng)的空間切片的切片距離為
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的距離選通超分辨率三維成像方法，其特征在于，所述三角形距離能量包絡(luò)的空間切片是由激光脈沖和選通脈沖卷積作用產(chǎn)生的，當(dāng)激光脈沖和選通脈沖的脈寬相等且脈形均為方波時，卷積后距離能量包絡(luò)呈三角形，存在一上升沿和一下降沿，分別稱為空間切片的頭信號區(qū)和尾信號區(qū)；切片圖像m對應(yīng)的空間切片的距離區(qū)間為k -Dhea丨R + j,其中，Rffl為空間切片m的切片距離，Dhead,m為空間切片m的頭信號區(qū)景深，Dtailjm為空間切片m的尾信號區(qū)景深。景深Dheadini和Dtailini的大小滿足
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的距離選通超分辨率三維成像方法，其特征在于，所述相鄰切片圖像間重疊區(qū)像素灰度比與空間單元距離能量比間的映射關(guān)系是指在三維成像工作時序下相鄰空間切片間的頭信號區(qū)和尾信號區(qū)存在交疊，當(dāng)前空間切片的頭信號區(qū)與上一空間切片的尾信號區(qū)完全重疊，當(dāng)前空間切片的尾信號區(qū)與下一空間切片的頭信號區(qū)完全重疊，相應(yīng)地，相鄰空間切片對應(yīng)的切片圖像間存在重疊區(qū)，同時，由于像素灰度與該像素對應(yīng)的空間單元的回波信號能量成正比，因此，可建立重疊區(qū)像素灰度比與距離能量比的關(guān)系
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的距離選通超分辨率三維成像方法，其特征在于，所述基于該距離圖通過攝像機(jī)針孔模型反演出每個像素對應(yīng)的空間單元的三維空間信息是指，由公式8反演獲得選通面陣成像器件每一像元對應(yīng)的空間單元的距離信息，并用該距離信息作為該像素的像素值，從而獲得距離圖。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的距離選通超分辨率三維成像方法，其特征在于，所述距離圖中第i行第j列像素的距離ry與空間單元(Xi, Yj, Zijj)的坐標(biāo)存在以下關(guān)系 Xi +- rUj (i e [I，I]，j e [I，J]) 公式 9 公式9與公式I聯(lián)立可獲得每一像素(Xi，Yj)對應(yīng)的空間單元(Xi, Yj, Zijj)的坐標(biāo)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種距離選通超分辨三維成像裝置及方法，該裝置包括觸摸屏顯示器(8)、中心處理器(9)、時序控制器(10)、脈沖激光器(11)、照明光學(xué)鏡頭(12)、選通面陣成像器件(13)和成像光學(xué)鏡頭(14)；其中，脈沖激光器(11)和照明光學(xué)鏡頭(12)連接構(gòu)成照明單元；選通面陣成像器件(13)和成像光學(xué)鏡頭(14)連接構(gòu)成成像單元；觸摸屏顯示器(8)、中心處理器(9)和時序控制器(10)構(gòu)成系統(tǒng)控制及顯示單元。利用本發(fā)明，解決了傳統(tǒng)距離選通三維成像實時性差、對噪聲擾動敏感燈問題，且本發(fā)明適應(yīng)性好，靈活性強(qiáng)，可實現(xiàn)目標(biāo)快速高分辨率三維成像。
文檔編號G01C11/00GK102927972SQ20121043099
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月1日
發(fā)明者王新偉, 周燕, 劉育梁 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所