無掃描器脈沖調制式三維成像方法及系統技術方案

本發明專利技術公開了一種無掃描器脈沖調制式三維成像方法和系統。脈沖激光器發出光脈沖照明被測場景；反射光經成像系統輸入至功能光接收器；其輸出接攝像機組；攝像機組的輸出接圖像處理裝置；調制信號控制器的一路控制脈沖激光器或者探測激光脈沖；一路控制功能光接收器組和攝像機組，同時將信號傳輸給圖像處理裝置。功能光接收器的增益為時間變量函數。通過獲得兩幅或兩幅以上不同強度激光脈沖照明或功能光接收器的增益為不同時間變量函數的條件下的強度圖像，通過計算生成一幅三維圖像。該測距系統沒有機械掃描部件。本發明專利技術對脈沖光源穩定性要求低，像增強器調制簡單；具有成本低，抗背景光干擾能力強，可測距離長，精度高，可達視頻幀率三維成像。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及三維成像或稱成像測距領域，尤其涉及一種無掃描器脈沖調制式三維成像方法及系統。
技術介紹
測距技術隨著人類社會、科學技術的不斷進步和發展，人們對信息獲取的要求越來越高。二維成像技術已經比較成熟，但它們只能獲取二維圖像信息，而真實世界是三維空間，二維圖像不足以充分表達所有信息。三維的成像顯示技術將可以大大促進相關探測，模擬和娛樂等方面的發展。在三維成像系統中，以光學三維成像的分辨率最高。但傳統的光學三維成像系統如傳統的激光成像雷達，需要機械掃描裝置，這使得系統在實時性，抗振、體積、功耗等方面的性能均難以有突破性的提高。所以發展無掃描器的三維成像技術是人們關注的焦點之一。美國Sandia公司專利技術了SRI(scannerless range imaging)無掃描器三維成像技術。其特點是具有相位測距法的高距離分辨率和現成的像增強器+CCD的高像素的優點；但其采用連續光源，測距范圍受到局限，在背景光較強時效果不佳。美國Aret Associates公司專利技術了STIL(Streak Tube Imaging Lidar)無掃描器三維成像技術。因為該方法的可成像距離較遠，但在一定象素率的CCD陣列條件下，距離的分辨率(級數)和空間分辨率成反比，因此距離測量精度和空間分辨率不可兼得。另外，美國林肯實驗室、瑞士電子與微技術研究中心等研究機構正在開發基于高速光脈沖響應的集成電路的無掃描器三維成像技術，該方法可探測距離遠，但目前其測距精度稍低，空間分辨率較低。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種無掃描器脈沖調制式三維成像方法及系統。本專利技術解決其技術問題所采取的技術方案是一、無掃描器脈沖調制式三維成像方法采用脈沖激光器光源，光脈沖經擴束系統照亮目標后被光學成像系統接收并成像在受控的功能光接收器組接收面上，用攝像機組收集功能光接收器組的輸出光信號，對同一場景，在不同強度的光脈沖照明或功能光接收器的增益為不同時間變量函數的條件下，獲取兩幅或兩幅以上強度圖像，在脈沖激光器光輸出端用分束裝置分束部分光能并對之進行測量，將測量值作為修正光強值；用圖像處理模塊對收集到的圖像系列中的每個像素點光強數值和修正光強值進行運算處理，計算出圖像中每一個象素點對應場景的距離，生成三維圖像。二、無掃描器脈沖調制式三維成像系統包括脈沖激光器，擴束系統，光纖修正裝置，成像裝置，功能光接收器組，攝像機組，調制信號控制器，圖像處理裝置。驅動脈沖激光器發出脈沖通過擴束系統后，分成兩部分，一部分光照明被測場景，通過成像裝置進入功能光接收器組，另一部分光經光纖修正裝置接功能光接收器組，功能光接收器組輸出經攝像機組與圖像處理裝置電連接，調制信號控制器分別與功能光接收器組、攝像機組和圖像處理裝置電連接；調制信號控制器與脈沖激光器電連接、或者脈沖激光器發出的光脈沖經第一分束鏡接調制信號控制器。本專利技術具有的有益的效果是脈沖激光器發出光脈沖照明被測場景；反射光經成像系統輸入至功能光接收器；其輸出接攝像機組；攝像機組的輸出接圖像處理裝置；調制信號控制器的一路控制脈沖激光器或者探測激光脈沖；一路控制功能光接收器組和攝像機組，同時將信號傳輸給圖像處理裝置。功能光接收器的增益為時間變量函數。通過獲得兩幅或兩幅以上不同強度激光脈沖照明或功能光接收器的增益為不同時間變量函數的條件下的強度圖像，通過計算生成一幅三維圖像。該測距系統沒有機械掃描部件。本專利技術對脈沖光源穩定性要求低，像增強器調制簡單；具有成本低，抗背景光干擾能力強，可測距離長，精度高，可達視頻幀率三維成像的優點。附圖說明圖1是本專利技術的結構原理示意圖；圖2(a)是像增強器增益為常數時間變量函數時的增益隨時間變化曲線；圖2(b)是像增強器增益為線性時間變量函數時的增益隨時間變化曲線。具體實施例方式無掃描器脈沖調制式三維成像方法采用脈沖激光器光源，光脈沖經擴束系統照亮目標后被光學成像系統接收并成像在受控的功能光接收器組接收面上，用攝像機組收集功能光接收器組的輸出光信號，對同一場景，在不同強度的光脈沖照明或功能光接收器的增益為不同時間變量函數的條件下，獲取兩幅或兩幅以上強度圖像，在脈沖激光器光輸出端用分束裝置分束部分光能并對之進行測量，將測量值作為修正光強值；用圖像處理模塊對收集到的圖像系列中的每個像素點光強數值和修正光強值進行運算處理，計算出圖像中每一個象素點對應場景的距離，生成三維圖像。如圖1所示，無掃描器脈沖調制式三維成像系統包括脈沖激光器1，擴束系統2，光纖修正裝置3，成像裝置4，功能光接收器組5，攝像機組6，調制信號控制器7，圖像處理裝置8。驅動脈沖激光器1發出脈沖通過擴束系統2后，分成兩部分，一部分光照明被測場景，通過成像裝置4進入功能光接收器組5，另一部分光經光纖修正裝置3接功能光接收器組5，功能光接收器組5輸出經攝像機組6與圖像處理裝置8電連接，調制信號控制器7分別與功能光接收器組5、攝像機組6和圖像處理裝置8電連接；調制信號控制器7與脈沖激光器1電連接、或者脈沖激光器1發出的光脈沖經第一分束鏡1.1接調制信號控制器7。所述的脈沖激光器1是Nd:YAG脈沖激光器或喇曼位移的Nd:YAG脈沖激光器。所述的擴束系統2是激光擴束鏡。所述光纖修正裝置3是由第二分束鏡3.1經長短不同光纖組成的光纖束和光衰減器3.2組成，另一部分光經第二分束鏡3.1、光衰減器3.2接功能光接收器組5。所述的成像裝置4是裝有窄帶濾波片的照相機鏡頭或光學成像鏡頭組。所述的功能光接收器組5是一個或多個(一般為2-4個)普通微通道板像增強器MCP或者由若干單獨可調制部分組成的復合型MCP。所述的攝像機組6是一個或多個普通的攝像機或高速攝像機。所述的圖像處理裝置8是個人計算機、DSP數字信號處理系統或者嵌入式處理器。三維測距成像方法光從脈沖激光器出發經場景反射到成像裝置所經過的時間t和場景到成像裝置的距離x有如下關系t＝2x/V (1)V為該種波長的光在介質中的傳播速度。在有光脈沖照明場景、噪音和背景光相對可忽略，光脈沖的持續時間相對非常短且每個脈沖的能量基本相等，場景在測量時間內基本不變化的情況下，對功能光接收器施加的調制分別為f1(t)和f2(t)，在攝像機接采集到的圖像中第y行z列個像素的光能有I1＝rf1(t)Ip(2)I2＝rf2(t)Ip(3) 其中r為與第y，z個像素對應的場景和光介質有關的比例常數，Ip為光脈沖能量。因此由(1)，(2)，(3)可以求出x=g-1(I2I1)---(4)]]>其中g(x)=f2(2x/V)f1(2x/V)---(5)]]> 為g(x)的逆函數。容易看出，只要g(x)在測量區間內是一致單調函數，就可以保證x有唯一數值，從而由(4)式得到對應像素點的距離信息，最終生成三維圖像。但光脈沖的持續時間往往不可忽略，每次的脈沖功率形狀和能量也有變化，背景光和系統噪音會造成測量精度的下降。因此，要獲得較高精度的距離圖像可以采用增加強度圖像的數目、選擇合適的照明條件、功能光接收器增益時間變量函數和采用實時修正值的辦法。一種具體的方案見具體實施方式。生成一幅三維圖像實際上分成兩個步驟第一步是收集到數幅在不同種條件下獲得的強度圖像和實時修正光強值；第二步通過對修正光強值和各個象素點的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種無掃描器脈沖調制式三維成像方法，其特征在于：采用脈沖激光器光源，光脈沖經擴束系統照亮目標后被光學成像系統接收并成像在受控的功能光接收器組接收面上，用攝像機組收集功能光接收器組的輸出光信號，對同一場景，在不同強度的光脈沖照明或功能光接收器的增益為不同時間變量函數的條件下，獲取兩幅或兩幅以上強度圖像，在脈沖激光器光輸出端用分束裝置分束部分光能并對之進行測量，將測量值作為修正光強值；用圖像處理模塊對收集到的圖像系列中的每個像素點光強數值和修正光強值進行運算處理，計算出圖像中每一個象素點對應場景的距離，生成三維圖像。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：張秀達，嚴惠民，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：86[中國|杭州]