[发明专利]一种光谱信息与深度信息同步采集系统及方法

说明书

本发明提供一种光谱信息与深度信息同步采集系统及方法。其系统包括：主动光源，用于向场景发射特定波长的脉冲光信号；物镜，用于将经过场景反射后的脉冲光信号以及经过场景反射后的自然光汇聚至分光装置；分光装置，用于将经过物镜汇聚的光线分为反射光线和透射光线两部分；深度信息获取单元，用于接收分光装置的透射光线，并获取透射光线的相位信息；光谱信息获取单元，用于接收分光装置的反射光线，并获取场景的原始光谱信息；信息处理装置，用于对透射光线的相位信息和场景的原始光谱信息进行实时计算处理，得到场景的深度信息和光谱信息。本发明的系统可以实现场景光谱信息与深度信息的同步获取，具有光学结构与电路结构简单等优点。

技术领域

本发明涉及计算摄像学领域，尤其涉及一种同步采集、处理光谱信息和深度信息的系统及方法。

背景技术

在人类的五大感知途径中，视觉占据了70％左右的信息来源。借助视觉，我们能准确地拿起眼前的杯子，能阅读报纸与书籍，能在行走时避开障碍物，能完成复杂精密的设计工作。从简单的日常行为到复杂的工作，都高度依赖于人类的视觉感知。

人眼观察客观世界所获取的视觉信息可以由7维全光函数全面地描述。7维全光函数包括：视点位置(x,y,z)，光线角度时刻(t)和光线波长(λ)。现有的图像采集手段普遍采用投影成像的原理，往往会丢失多个维度的视觉信息，使得人们只能通过二维的视角观察世界。随着时代的进步与技术的发展，当前相机成像的能力已经取得了巨大的提升。然而场景深度信息(z)的丢失与光谱信息(λ)的欠采样仍然是相机成像亟待解决的问题。

传统相机普遍采用麦克斯韦的三元色(RGB)成像原理，这导致相机通常只能采集到红、绿、蓝三个通道的信息。事实上，光谱所蕴含的信息远远不止红、绿、蓝三个通道，而传统相机无法采集到的其他光谱信息往往能够揭示场景更多的细节与本质。同时，场景的深度信息获取对于场景重构也至关重要。场景信息采集的完备化也将进一步推动计算机视觉领域中场景重构与目标识别方向的发展。

计算摄像学的主要研究方向是光场信息的采集与3D显示，致力于在传统相机成像的基础上获取场景的深度信息与光谱信息。根据技术条件和需求的不同，目前的场景信息采集系统大多是单功能的。市面上常见的光谱仪通常无法兼顾光谱分辨率、时间分辨率与空间分辨率。如点光谱仪，就是通过牺牲空间分辨率对光谱分辨率与时间分辨率进行补偿；扫描式光谱仪则通过牺牲时间分辨率换取光谱分辨率。并且，上述常见的光谱仪只能获取场景或物体的光谱信息，而无法获取其他维度的信息。基于双目立体视觉的深度信息捕获系统在获取场景或物体深度信息的同时却无法采集到光谱信息，而且双目立体视觉的算法过于复杂，对计算处理单元提出了非常高的要求。中国专利《一种全光信息采集系统》(公开号：CN105651384B)，其通过对场景进行空间采样，使用两路采集技术，分别采集场景的光谱信息与彩色图像，随后利用两路采集图像的位置关系，通过双目立体视觉算法求得场景的深度信息。但是该系统的光路实现过于复杂，且深度信息的获取需要通过复杂的算法计算，高度依赖计算处理单元的性能。

随着近几年光谱信息与深度信息的获取在计算机视觉领域中重要性的提高，通过改进得到一款原理更简单、复杂度更低的光谱与深度信息获取装置，具有非常重要的意义与广泛的实用价值。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明旨在提出一种光谱信息与深度信息同步采集系统及方法，可以实现光谱信息与深度信息的同步获取，并降低了光路结构的复杂性和算法计算的复杂度。

为达到上述目的，本发明采用的方案技术为：