[发明专利]3D照相机及其选通方法

说明书

领域

本发明涉及用于获取场景的3D图像的方法和装置。

背景

能够向它们所成像的对象和对象上的各点提供距离测量的三维(3D)光学成像系统(此后称为“3D照相机”)被用于许多不同的应用中。这些应用有制成品的轮廓检查、CAD验证、机器人视觉、地理勘测、以及根据距离选择性地对对象进行成像。

一些3D照相机向它们所成像的场景中的对象的基本上所有的点提供同时测量。一般而言，这些3D照相机包括诸如激光器等光源和选通成像系统，该光源是脉冲式的或快门式的使得它提供用于照亮被成像的场景的光脉冲，该选通成像系统用于对从该场景中的对象反射的来自各光脉冲的光进行成像。选通成像系统包括具有诸如CCD或CMOS光敏表面(此后称为“光敏面”)等光敏面的照相机和诸如光学快门或选通图像增强器等用于对照相机的打开和关闭进行选通的选通装置。反射光只有在照相机被选通为打开时到达照相机时才会被记录(register)在照相机的光敏面的各个像素上。

为了对场景进行成像并且确定从照相机到该场景中的各对象的距离，通常使用从光源辐射的一系列光脉冲来照亮该场景。对于该系列中的每一辐射光脉冲，根据从辐射出该光脉冲的时间准确地确定的延迟，在此后称为“门”的一段时间内将照相机选通为打开。如果来自从场景中的对象反射的光脉冲的光在该门期间到达照相机，则它在照相机的光敏面上成像。因为辐射出光脉冲与随后的门之间流逝的时间是已知的，所以被成像的光从光源行进到该场景中的反射对象并回到照相机所花费的时间是已知的。所流逝的时间被用来确定到该对象的距离。

在一些“选通”3D照相机中，只使用光脉冲与门之间的定时来确定从3D照相机到场景中的在该照相机的光敏面的一个像素上成像的一个点的距离。换言之，在照相机被选通为打开期间像素所记录的光的量也被用来确定该距离。这些3D照相机所进行的测量的准确度是光脉冲的上升和下降时间及其平直度和照相机可被选通为打开和关闭得有多快的函数。

选通3D照相机和其用途的示例在欧洲专利EP1214609和美国专利6,057,909、US 6,091,905、US 6,100,517以及US 6,445,884中找到，它们的公开通过引用结合与此。在这些专利中描述的照相机使用照相机中的像素在照相机被选通为打开的时间期间所记录的光的量来确定到场景的连续片中的特征的距离。片位置和空间宽度是由照相机被选通为打开的门的长度和定时相对于被发射来照亮场景的光脉冲的脉冲长度和定时来定义的。

一般而言，使用至少两个门来获取场景的一片的3D图像，其中为至少一个相对长的门以及至少一个相对短的门，“前”或“后”门在时间上分别与该至少一个长门的前部分或后部分相对应。相对于发射光脉冲以照亮场景的时间，前门在长门开始的相同时间开始且后门在长门结束的相同时间结束。短门可任选地具有等于用来照亮场景的光脉冲的脉冲宽度的门宽度，并且长门具有等于两倍于该光脉冲宽度的脉冲宽度。照相机中的对场景的特征进行成像的像素在该至少一个短门期间所记录的光的量被规范化成该像素在该至少一个长门期间所记录的光的量。经规范化的所记录的光的量被用来确定到该特征的距离。

用于获取场景的3D图像的数据的总获取时间基本上等于该场景的被成像的片的数量乘以获取单个片的3D数据所需的时间，即“片获取时间”。片获取时间是记录足以提供用于确定到位于该片中的场景特征的距离的数据的各门的光的量所需的光脉冲和门的数量的函数。

使用脉冲式照明源和选通成像系统的3D照相机在S.Christie等人在测量科学与技术6(1995年9月)的第1301-1308页的“Design and Development of a Multi-detecting two Dimensional Ranging Sensor(多检测二维测距传感器的设计和开发)”中和在Yates等人在SPIE第269卷第374-385页的“Range-gated Imaging for Near Field Target Identification(用于近场目标标识的范围选通的成像)”中描述，它们通过引用结合于此。

另一3D照相机在Medina的美国专利5,081,530中描述，其通过引用结合于此。在该专利中描述的3D照相机记录从目标反射的在一对门的每一个门期间到达照相机的成像系统的光脉冲中的能量。到目标的距离是从在这两个门中的每一个期间所记录的能量之间的差与在这两个门中的每一个期间所记录的能量的总和的比率来确定的。

概述