[发明专利]三维传感的深度变化光场

说明书

技术领域

本发明总的来说涉及用于为三维(3D)物体绘图的方法和系统， 具体地讲涉及3D光学测距和绘图。

背景技术

当相干光束穿过漫射体并被投影到一个表面上时，可以在该表 面上观察到一级散斑图案。一级散斑是由漫射光束的不同分量之间的 干涉形成的。在本专利申请中，这种意义上使用的术语“一级散斑” 区别于二级散斑，二级散斑是相干光在物体的粗糙表面上漫反射形成 的。

Hart在台湾专利TW527528B和美国专利申请09/616,606中描 述了散斑图案在高速3D成像系统中的应用，通过引用将这两个专利 文献的公开内容并入本文。该系统包括具有主动成像元件和CCD元 件的单透镜摄像机子系统以及相关处理子系统。主动成像元件可以是 旋转光圈，该旋转光圈允许对散焦图像间的不等间距进行调整，以得 到更大的场深和更高的子像素位移精度。散斑图案被投影到物体上， 从多个角度获得所产生的图案的图像。采用图像相关技术，这些图像 是局部互相关联的，通过采用相关摄像机位置信息来计算每个局部相 关区域的三维坐标，可以解析出这个表面。

Hunter等人在美国专利6,101,269中描述了另一种基于散斑的 3D成像技术，通过引用将该专利的内容并入本文。其中，将随机散 斑投影到3D表面上，并用多个摄像机对随机散斑进行成像，以获得 多个二维数字图像。处理这些二维图像来获得该表面的三维特征。

其他用于3D绘图和测距的方法采用结构化或编码照明。例如， Sazbon等人在“Qualitative Real-Time Range Extraction for Preplanned Scene Partitioning Using Laser Beam Coding”，Pattern Recognition Letters26(2005)的第1772-1781页中描述了这种距离估计的方法，通 过引用将该文的内容并入本文。纯相位滤光片将激光束编码成对应于 工作空间内的M个不同的距离分段的M个不同的衍射图案。从而， 用对应于从光源到每个平面的范围的图案来照到照明场景内的每个 平面。可以采用普通摄像机来捕捉该场景的图像，可以对这些图像进 行处理来确定场景内的物体的距离。作者描述了基于 Gerchberg-Saxton算法来设计纯相位滤光片的迭代过程。

发明内容

下文描述的本发明的实施例提供了利用具有形状的斑点照明图 案进行3D绘图和测距的方法和系统。这种图案包括具有受控的可识 别形状的亮斑阵列。在一些实施例中，这些斑点的相对位置是不相关 的(例如，在诸如散斑图案之类的随机或伪随机图案中)，但是，在 任何情况下这些斑点都具有相似的预定形状特征。在某些实施例中， 在某个方向上拉长斑点，这对于横切于照明光束的给定平面上的所有 斑点都是一样的，但是，还可以可选地采用其他斑点形状。

在一些实施例中，斑点形状特征随与照明源的距离而变化。可 以通过使照明光束穿过一个或多个光学元件来实现这种随距离变化 而改变的形状特征，这些光学元件被设计为叠加两个光学约束：一个 是将光束分成多个斑点，另一个是产生随距离变化而改变的形状。这 种叠加方法允许简单灵活地创建多种随距离变化而改变的图案。由于 存在这种随距离变化而改变的形状特征，所以出现在被图案照到的物 体的部分表面上的斑点的形状可以被用来确定这些部分与照明源的 距离。

在一些实施例中，表面上的部分图案相对于已知范围处的参考 图案的横向位移被用来重构该表面的3D图。基于形状的测距和基于 位移的绘图的结合可以被用来创建覆盖距照明源很大距离的范围的 精确3D图。

从而，根据本发明的一个实施例提供了一种用于绘图的方法， 其包括：

将带有多个斑点的图案投影到物体上，所述多个斑点具有各自 的位置和形状，从而所述图案中的斑点的位置是不相关的，而所述形 状具有共同特征；

捕捉物体上的斑点的图像；以及

处理该图像，以得出该物体的三维图。

在一个实施例中，带有多个斑点的图案包括随机散斑图案。