[發明專利]一種TOF深度相機系統及其降低外部誤差的方法

在審

• 申請號: 201810463965.2
• 申請日: 2018-05-15
• 公開（公告）號: CN108401098A
• 公開（公告）日: 2018-08-14
• 發明（設計）人: 吳冬琴
• 申請（專利權）人: 紹興知威光電科技有限公司
• 主分類號: H04N5/225
• 分類號: H04N5/225
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種TOF深度相機系統及其降低外部誤差的方法，包括發光LED，所述發光LED上設有遮光格柵，所述遮光格柵上設有遮光部分與透光部分組合而成的圖形。深度感光傳感器陣列像素點接收到由發光LED發射通過被測場景表面反射的近紅外光以及外部環境近紅外光，通過計算相位差將其轉化為深度信息，通過由后向散射光、經過多次漫反射光以及環境光疊加的像素點的光波路徑長度以及周圍的經過多次漫反射光以及環境光疊加的像素點的光波路徑長度估算后向散射光的光波路徑長度，排除環境光以及經過多次漫反射光引起的誤差。

技術領域

本發明屬于深度圖像信息提取、處理及識別技術領域，特別是一種TOF深度相機系統及其降低外部誤差的方法。

背景技術

TOF (Time of Flight) 深度相機是一種通過測量發射的光學信號在空間中飛行的時間從而計算得到外部測量場景的深度信息的系統。一個典型的TOF深度相機系統如圖1所示，其中，信號發生器8產生固定頻率的近紅外光信號，通過調制器7進行調制，其后輸送至發光LED的驅動電路6用來驅動發光LED 2，2可以是近紅外LED (Infrared-Red LED, IRLED)或激光LED (Laser Diode, LD)，發光LED 2向外部測量場景發射近紅外光，光波通過射出路徑4被發射到外部場景，場景表面為不規則平面，光波信號在其表面發生鏡面反射及漫反射，其中，大部分經過漫反射的反射信號都離開了透鏡3的捕捉范圍，而大部分后向散射光波信號通過反射路徑5被透鏡3捕捉，從而傳輸到深度感光傳感器1，深度感光傳感器1接收到反射的光波信號后經過A/D轉換后輸送到信號處理單元9，在信號處理單元9中，將發射的光波信號與接收的反射信號進行比較，得到他們的相位差，便根據信號的頻率可知光波經過一個發射-反射路徑經過的時間，從而根據光速計算得到各個像素點，即對應實際三維空間中的深度信息。

TOF深度相機系統測量深度信息過程中存在兩類誤差，使得測量不準確，一類是內部疊加誤差，另一類是外部疊加誤差。內部疊加誤差主要由曝光誤差、邊緣疊加誤差等組成。內部疊加誤差主要由深度相機內部精度、材質等自身性質帶來，可通過矯正、濾波等方法有效降低。而外部疊加誤差是一種公認很難消除的誤差，主要由外部被測物體結構帶來，是隨機、動態、毫無規律的。外部疊加誤差問題如圖2所示。發光LED2向外部測量場景發射光波，外部場景與TOF深度相機發射的光波信號非垂直，而是與光波信號保持一定的夾角，外部場景自身呈90°夾角。深度感光傳感器包含感光陣列傳感器，取其中的一個深度感光傳感器12用來說明。深度感光傳感器12接收由發光LED2發射的經過外部場景折射后的光波信號從而得到外部場景在此點的深度信息。

在測量深度信息過程中，雖然大部分經過外部場景表面漫反射的光波信號沒有被透鏡捕捉，但在圖2所示的情況中，發光LED2發射的光波信號甲路徑14是正確的直接被外部場景反射的后向散射信號，但一些光波信號卻經過乙路徑13在外部場景表面經過了兩次鏡面反射后被深度感光傳感器12捕捉，疊加在直接反射的光波信號中從而得到了錯誤的光波信號。在實際更復雜的外部場景表面，可能發生更多次折射，使得外部疊加誤差問題更嚴重。疊加得到的經過多次折射的錯誤光波信號使得深度感光傳感器得到的深度信息包含誤差，使得深度感光傳感器認為外部場景15的表面是在具有外部疊加誤差的被測像素點上有凸起16。更加嚴重的情況是，在有多個疊加誤差經過多次反射于一個被測像素點時，超過了該點的光強接收能力，使得其光飽和，表現為曝光過度。在有很多像素點經過多次反射測量其深度信息時，由于正確深度信息被疊加上多余錯誤多次反射深度信息，使得所有測量深度信息均比實際值大，從而使得TOF深度相機測量的場景變為錯誤測量場景17，而不是真實的外部場景15，錯誤測量場景17距離更遠，且其夾角也大于真實的90°。

一種解決方案是通過光線跟蹤更新經過多次漫反射回到深度感光傳感器的點云像素。此種方法的計算復雜度通常與點云數的二次方成正比，可通過迭代的方法求解，但其計算量很大，通常無法做到實時求解，信號處理時間一般都在1-10分鐘。這使得此種方法多停留在理論階段難以得到應用。