[发明专利]亚分辨率光学检测

说明书

技术领域

本发明在其一些实施例中涉及用于亚分辨率光学检测的设备和方法，具体地(但是不仅仅)涉及为了操作数字装置而在用户交互的三维空间中进行检测的这种设备和方法。

背景技术

在数字图像处理中，在含有良好限定的线、点或者边缘的数字图像中能够获得亚像素分辨率，利用算法能够处理该数字图像，以超过该图像的标准像素分辨率的精度，可靠测量该图像中的线、点或者边缘的位置。

因此，例如，如果长度为50cm的轿车的图像从侧面看是500像素长，则面对摄像机的船边的标准分辨率(像素尺寸)是0.1cm。现在，良好分辨特征的亚像素分辨率能够测量较小数量级(10x)的船运动。在现有技术的讨论中尤其提到了运动，因为要实现亚像素位置精度，测量绝对位置就要求精确透镜模型和图像中的已知基准点。然而，利用简单校准过程，能够测量微小运动(小至0.1mm)。

通常，在分辨率方面，许多因素限制了数字图像处理系统。这些因素中的一个因素是检测器的像素尺寸。另一个因素是被检测的场景的性质，并且另一个因素是将来自场景的光聚焦到检测器上使用的光学元件的质量。

因此，系统设计师的选项有改善光学元件和/或者使用具有较小像素尺寸的检测器。然而，这两个选项都增加成本。在尝试检测用户交互的情况下，这是图像处理的特殊情况，用户可以距离屏幕几米，并且需要检测的控制手势可以包括各手指。

三维检测系统通常使用有源照明。在已知系统中，利用激光装备照射目标。使用有源照明使得分辨率问题进一步复杂化，因为激光束的位置与反射其的物体的深度有关，如三角测量深度检测方法中所述。因此，以亚分辨率检测光特征位置使得也能以较高分辨率测量场景的深度。当物体离开传感器较大距离时，深度问题更加重要。由于激光束通常至少在一个轴上准直并且每个摄像机像素以角方式对场景抽样，所以由不到一个像素对光特征抽样，因此，妨碍检测精确位置和深度。

发明内容

本发明注意到，有源照明导致到达检测器的反射光束具有高斯分布的亮度，其中高斯分布峰可以小于像素尺寸，但是整体分布通常大于像素尺寸。该实施例包括跟踪相邻像素上的光分布，并且将单个像素上的二维或者三维的总分布图形映射到单个像素上其本身比像素尺寸小的光点。

一些实施例包括以预定方式使亮度分布畸变，以使映射更精确。

本实施例映射绝对位置，而不仅仅映射运动，因为可以利用结构化光图形提供绝对基准。因此，即使不运动，本实施例仍可以以亚分辨率检测光特征。

根据本发明的优选实施例的方面，提供了一种用于对体积内的位置进行光学检测的检测设备，包括：

结构化光源，用于向体积照射结构化光图形；

数字检测器，其具有预定尺寸的多个检测像素，当射入所述体积内并且被反射到所述检测像素时所述光图形具有包括峰和周围结构的限定分布；以及

电子处理器，其被配置用以评估在多个所述检测像素中的所述峰和所述周围结构的分布，并且利用所述分布将所述峰的位置映射到比所述预定尺寸小的区内。

在一个实施例中，所述限定分布为极化或亮度。

实施例可以包括位于检测像素前面的衍射元件，衍射元件被配置，以将输入的峰转换为未转移主峰，和至少一个辅峰到达位于检测到主峰的检测像素附近的检测像素处，电子处理器能够利用多个峰推断区内的位置。

在实施例中，每个检测像素被划分为多个域，并且其中处理器包括映射逻辑，用于将检测像素上的亮度水平的组合映射到检测像素中的一个上的域中的一个。

在实施例中，映射逻辑以二维方式映射。

在实施例中，多个域包括每个检测像素的至少10个域，或者落入20个域，或者落入40个域。

在实施例中，衍射元件被配置，使得当未转移峰到达第一检测像素的中心处时，每个辅峰都到达相邻检测像素之间的边界处。

实施例可以包括位于激光束的向外光束路径上的衍射元件。

实施例可以包括位于检测像素前面的畸变元件，该畸变元件被配置，以对输入的亮度分布施加畸变，从而使中心检测像素和相邻像素上的输入分布畸变，该电子处理器能够使用畸变推断位置。

在实施例中，每个检测像素被分割为多个域，并且其中处理器包括映射逻辑，用于将检测像素上的亮度水平的组合映射到检测像素中的一个上的域中的一个。

在实施例中，衍射元件位于透镜上。

根据病房内的第二方面，提供了一种用于对体积内的位置进行亚分辨率光学检测的方法，包括：