[實用新型]基于LED陣列共透鏡TOF深度測量的三維成像系統

有效

• 申請號: 201020212856.2
• 申請日: 2010-05-28
• 公開（公告）號: CN201707438U
• 公開（公告）日: 2011-01-12
• 發明（設計）人: 王煥欽;徐軍;何德勇;趙天鵬;明海
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89;G01S17/08;G01S7/481
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 何梅生

技術領域

本實用新型涉及測距成像和三維成像技術領域，特別涉及一種基于LED陣列共透鏡TOF深度測量的三維成像系統。

背景技術

現有的以CCD/CMOS照相和數字圖像處理為基礎的二維2D成像技術已經取得了長足的發展，并且獲得了廣泛的應用。然而對于三維的真實世界，使用傳統二維成像技術獲得的二維圖像并不足以充分表達所有信息，因此限制了它在許多領域中的應用。為了解決上述的問題，三維成像(3D?Imaging)技術應運而生。三維成像是指將客觀世界的三維圖像通過某種特殊的方法記錄下來，然后通過處理、壓縮、傳輸、顯示等過程并最終在人的大腦中再現客觀的真實圖像。由于與通常意義上的二維成像相比，三維成像包含了第三維的距離或深度信息，能夠更加充分地描述真實三維場景中物體的位置和運動信息，因此具有許多突出的優點，在機器視覺、實物仿形、工業檢測、生物醫學、反向工程、虛擬現實等領域具有廣泛的應用前景。

基于光學測距的三維成像技術由于具有分辨高、無需接觸等優點，逐漸成為國內外的研究熱點。目前研究的大部分光學三維成像系統都是基于三角法(Triangulation)或飛行時間(Time-of-Flight：TOF)原理來測量距離的?；谌欠y距的三維成像系統，包括被動三角法(如立體視覺法)和主動三角法(如投影結構光法)，它們都需要處理“陰影”效應或投影條紋“模糊”問題，因此嚴格限制了它們的應用范圍。例如立體視覺法一般只能用于對比度較高的三維場景中目標的識別和分析，因為該方法在確定第三維的距離信息時，需要對不同視覺方向獲取的兩幅或多幅圖像進行特征點的匹配，因此，需要進行復雜的信號處理和大量耗時的數據計算；此外實際應用中目標往往缺乏特征的結構信息或者目標上各點的反射率沒有明顯差異，這時匹配計算會變得十分困難甚至產生錯誤，深度測量精度將會受到嚴重影響。

與三角法測距相比，基于飛行時間TOF的測距方法由于發射單元和接收單元在同一直線上，因此不會產生不完整的數據，不存在“陰影”效應，這使得基于飛行時間TOF的測距方法具有更加廣泛的應用范圍。但是，傳統的基于飛行時間TOF的光學三維成像系統，例如激光成像雷達，實際上只能測量一點的距離(一維測距)。為了獲得三維的信息，需要使用精密、笨重且價格昂貴的機械掃描裝置將激光束在其它兩個方向上對被測場景進行機械掃描，因此深度圖像獲取速度慢，實時性差；由于機械掃描裝置本身存在老化和磨損現象，利用該方法獲得的深度圖像與二維圖像之間對準精度差。此外，該系統在抗振、體積、重量和成本等方面也很難獲得突破性的提高。

實用新型內容

本實用新型的目的是針對現有三維成像方法和系統存在深度圖像獲取速度慢、深度圖像與二維圖像之間對準精度差等不足，提出一種基于LED陣列共透鏡TOF深度測量的三維成像系統，用于實現快速、高精度的三維成像，滿足現有諸多領域對高性能三維成像的迫切需求。

本實用新型解決其技術問題所采取的技術方案是：

本實用新型基于LED陣列共透鏡TOF深度測量的三維成像系統的特點是：

設置光電調制掃描電路對N×M的LED陣列的輸出光功率進行調制和時分掃描，在任意時刻，整個LED陣列中僅有一顆LED被點亮；LED發射的調制光到達分束鏡后，分成透射光和反射光，所述透射光經透鏡投影在目標的表面，以光電接收器PD1接收目標表面產生的散射光；所述反射光直接由光電接收器PD2接收；

設置TOF深度測量電路，以所述TOF深度測量電路分別處理光電接收器PD1和光電接收器PD2輸出的光電信號，依次計算每一個LED深度像素值，所述LED的深度像素值在PC中組合生成目標的深度圖像；同時目標表面的散射光經透鏡、再經分束鏡反射后被二維CCD/CMOS圖像傳感器接收，并經二維圖像信號處理電路獲得與所述深度圖像實時對準的目標的二維圖像；

所述深度圖像與二維圖像在PC中融合生成目標的三維圖像。

本實用新型系統的特點也在于在所述TOF深度測量電路中包括有一個反饋式自動增益控制AGC電路，所述反饋式AGC電路采用平方幅度檢測電路對輸入信號進行幅度檢測，其輸出信號經第二固定增益放大電路后，被送入電感電阻LR低通濾波器以濾除產生的高次諧波，其輸出的直流電平被用于控制可變增益放大電路的增益；輸入信號在經可變增益放大電路和第一固定增益放大電路放大后，獲得反饋式AGC電路的輸出信號。

與已有技術相比，本實用新型有益效果體現在：

1、本實用新型采用快速電子掃描的二維LED陣列作為照明光源，成像不需要任何的機械移動和旋轉部件；