[发明专利]使用立体摄像机与结构化光的头戴显示器的深度绘制

说明书

一种跟踪系统在局部区域中生成结构化光图案。该系统包括生成光的激光器阵列。激光器阵列包括多个激光器和光学元件。多个激光器被分组成至少两个激光器子集，并且至少两个激光器子集中的每一者独立可切换。光学元件包括各自与激光器阵列中的相应子集对准的多个单元。每个单元接收来自激光器阵列中的对应激光器的光，并且每个单元单独对接收的穿过该单元的光施加调制，以形成投射到局部区域上的结构化光图案的相应部分。

技术领域

本公开整体涉及使用结构化光的三维深度绘制，并且更具体地，但并非排他性地，涉及一种用于跟踪的系统。

背景技术

计算机前方的铁笔和手指在三维场中的跟踪可用，并且使用各种跟踪技术。跟踪技术除其他事物之外可以包括视觉和IR成像以及超声波。术语“跟踪”可以指追随物体在三维空间中的定位和运动，并且包括在跟踪计算机处对接收的输入进行处理以确定位置或运动。例如，在计算机鼠标的情况下，跟踪可以包括处理鼠标输入来确定运动。在视觉地追随物体的情况下，术语“跟踪”可以包括对于捕获物体的连续帧的图像进行处理。成像的一种方法是仅使用摄像机观看并且处理场景。摄像机可以追随放置在场景中的特定标志物或成像系统能够查找诸如手指等具体可辨别的特征。该视觉成像的缺点包括：充分照射三维区域的需求。进一步地，唯一能够被跟踪的特征是提前辨别的特征，并且与特征辨别结合的运动跟踪不能给出准确的结果。为了克服这些问题，引进了使用结构化光的跟踪。

在使用结构化光的跟踪中，将已知的像素图案投射到将要发生跟踪的局部区域上。图案在撞击表面上变形的方式允许视觉系统计算该场景中的物体的深度和表面信息。通常使用的图案包括诸如水平条形图或竖直条形图等一个或多个结构单元件光栅。在其他实施方式中，结构化光图案可以包括诸如圆形、三角形、成角度的条形图、或其任何组合的其他规则的几何形状元件。各种设备使用结构化光图案，以实现姿势辨别与3D深度绘制的使用。结构化光图案传输器包括激光发射器和衍射光学元件(DOE)。

将窄带光投射到三维形状的表面上，产生了从投影仪的视角来看与其他视角失真的照明线，并且能够用于表面形状的精确几何形状重构。

更快速并且更通用的方法是一次投影包括许多条形图或任意条纹的图案，因为这允许同时获取多个样本。从不同的观点可以看出，由于物体的表面形状，图案看似发生几何形状上的扭曲。

尽管结构化光投影的许多其他变形是可能的，然而，广泛使用平行条形图的图案。条形图的位移允许精确检索物体表面上的任何细节的三维坐标。

条纹图案生成的一种已知方法是利用两个宽平面激光束前端的激光干涉方法。光束前端之间的干涉产生规则的等距线图案。通过改变这些光束之间的角度能够获得不同的图案大小。该方法允许精确并且简单生成具有不受限制的场深度的非常精细图案。缺点包括实现方式的成本高、难以提供理想的光束几何形状、以及激光器典型的影响(诸如斑点噪音和与从物体反射的光束部分的可能自干涉等)。进一步地，不存在调制单独条形图(诸如关于Gray码)的任何装置。

具体地，使用单一源发射器(诸如边缘发射器激光二极管)的缺点在于以下事实：仅能够作为单一单元控制其产生的光图案。这就是指尽管能够完全地接通、断开、或淡化光图案，然而，不能够动态地改变。

使用诸如红外光等不可见光可以构造结构化光图案。可替代地，高帧率可以渲染用户不可察觉的结构化光或避免干扰计算机的其他视觉任务。

垂直腔表面发射激光器(VCSEL)是半导体激光二极管类型，与常规的边缘发射半导体激光器不同，垂直腔表面发射激光器中的激光束发射与顶表面垂直，其从通过将单独芯片切割出晶片而形成的表面发射。