[发明专利]概率飞行时间成像

说明书

技术领域

本发明的各实施例涉及使用飞行时间相机来确定距场景中的各特征的距离。

背景

飞行时间(TOF)三维(3D)相机通过以下方式获取距由TOF-3D相机成像的场景中的各特征的距离：确定相机发射来照明该场景的在时间上被调制的光形成从相机到这些特征并返回到相机的“往返”要花费多少时间。已知的光速以及到由TOF-3D相机确定的场景中的给定特征的往返时间被用来确定该给定特征距TOF-3D相机的距离。该场景的“距离图像”一般指代由TOF-3D相机获取的距由该TOF-3D相机在基本上相同的给定时间成像的场景中的基本上所有特征的距离。

在“门控”TOF-3D相机中，光脉冲串可由光源发射以照明相机成像的场景。在经过预定的相同延迟间隔(此后称为“曝光延迟”)之际，在光脉冲串中的每一光脉冲都被发射后，相机被通过快门或“门控”开启达短曝光时段，该短曝光时段在相机被通过快门或“门控”关断时结束。相机对由到达该相机的场景中的特征在曝光时段期间从发射光脉冲反射到该相机包括的光传感器的各像素上的光进行成像。由场景中的特征从发射光脉冲中反射的光到达一像素，在该像素上，该特征被成像为与该光被反射时发射光脉冲的脉冲形状具有基本上相同的脉冲形状的经反射光脉冲。

从被成像在像素上的特征反射的光量由该像素在曝光时段期间配准，该量是反射光脉冲的脉冲形状与用于在曝光时段期间配准光的像素的曝光时段敏感性分布之间的相关性的函数。该相关性也可被称为光脉冲和曝光时段之间的相关性，其是光传播到特征并返回到门控TOF-3D相机的往返时间和已知曝光延迟的函数。反射的光脉冲中由像素在与发射光脉冲串相关联的曝光时段期间配准的光量以及已知的曝光延迟被用于确定光到达该特征以及从该特征返回的往返时间以及从其到该特征的距离。

像素通过积累由入射光中的光子生成的电子-空穴对所提供的正或负电荷(此后也被称为“光电荷”)来配准入射光。TOF-3D相机中的电路系统将由各像素积累的光电荷转换成电压，这些电压用作这些像素分别积累的光电荷量的测量。某像素配准的光量可指代由像素响应于入射光积累的光电荷量或响应于积累的光电荷生成的电压。像素的响应指代该像素响应于入射光配准的光量。

光脉冲的脉冲形状指代根据时间表示该光脉冲通过的表面上的光强度(其被归一化成该光脉冲中的最大光强度)的曲线的形状。脉冲形状还可指代根据沿着该光脉冲的宽度的位置表示经归一化的强度的曲线的形状。光脉冲中的光在给定的时间或沿着光脉冲宽度的位置的强度等于该脉冲形状在该时间或位置的幅值乘以该光脉冲的最大强度的乘积。曝光时段“敏感性分布”或曝光时段“分布”指代表示TOF-3D相机光传感器中的用于在曝光时段的开启和关断时间之间配准光的像素的敏感性的曲线的形状。用于配准光的像素的敏感性指代该像素配准入射在该像素上的每单位光能的光电荷量。

尽管由像素在曝光时段期间配准的光量是反射的光脉冲和曝光时段之间的相关性的函数，但该量也是反射的光脉冲的强度的函数并由此是特征的反射率的函数。特征的反射率一般不是从经配准的光中获知的。此外，在曝光时段期间，除了从特征反射的光以外，像素还配准来自场景的背景光以及来自“多径光”的光。背景光不是往返时间的函数。多径光指代反射的光脉冲中在到达TOF-3D相机时已经历了多于一次的反射而不是被反射一次就直接从由该相机成像的特征返回该相机的光。多径光相对于直接反射的光延迟地到达TOF-3D相机。像素在曝光时段期间配准的光量由此受到各变量而非往返时间的影响，这破坏了经配准的光量中的距离信息。

概述

本发明的一实施例的一方面涉及提供一种TOF-3D相机，该相机响应于来自场景的由各像素在不同的曝光时段期间配准的光量以及预期这些像素将在所述不同的曝光时段中的每一者期间配准多少光的概率模型来确定距该场景中的各特征的距离。距所述场景中的某特征的距离可以是响应于最可能已经导致由该像素为所述不同的TOF曝光时段配准的光量的概率模型来确定的距离。