一种可变焦3D深度相机及其成像方法技术

本发明专利技术属于光电检测领域，具体涉及一种可变焦3D深度相机及其成像方法，包括编码结构光投影模块、图像接收模块及系统主控模块；编码结构光投影模块产生编码结构光；根据待测对象区域大小，调节图像接收模块可视区域和/或编码结构光投影模块扫描区域，确保待测对象同时处在图像接收模块可视区域与编码结构光投影模块扫描区域；对待测对象进行扫描；图像接收模块采集从待测对象反射的编码结构光；系统主控模块根据图像接收模块采集到的从待测对象反射的编码结构光相对投影到待测对象上的编码结构光的变化，提取得到待测对象的3D信息。兼顾视场大小与成像精度，使3D深度相机既可检测到大视野下待测物整体信息，同时也得到待测物体局部高精度信息。

A zoom 3D depth camera and its imaging method

The invention belongs to the field of photoelectric detection, in particular relates to a zoom 3D depth camera and its imaging method, including a coding structured light projection module, an image receiving module and a system main control module; a coding structured light projection module generates a coding structured light; and an image receiving module can adjust the visual area and an image receiving module according to the size of the object area to be measured. / or encoded structured light projection module scan area to ensure that the object to be measured is simultaneously in the visual area of the image receiving module and the encoding structured light projection module scan area; scan the object to be measured; image receiving module collects the encoding structured light reflected from the object to be measured; system master module collects the encoding structured light according to the image receiving module. To extract the 3D information of the object to be measured, the relative projection of the encoded structured light reflected from the object to the encoded structured light on the object to be measured is changed. Considering the size of field of view and imaging accuracy, the 3D depth camera can not only detect the overall information of the object to be measured in a large field of view, but also obtain the local high-precision information of the object to be measured.

【技术实现步骤摘要】
一种可变焦3D深度相机及其成像方法
本专利技术属于光电检测领域，具体涉及一种用来进行3D检测或3D成像的可变焦深度相机及其成像方法。
技术介绍
光学升级一直停留在像素、感光等二维层面，也是智能手机创新周期的主驱动力，拍照一直是智能手机的重要卖点，像素和拍照性能是换机的主驱动力之一，以iPhone为例，后置相机从单颗2M升级到双12M，前置相机从无到8M，其性能提升幅度远超其他任何零组件。2D成像技术以臻成熟，唯有通过维度提升向3D发展才能继续突破成像技术的局限。3D成像在二维的基础上，实现了像素景深的叠加，拍照的同时记录下对象的立体信息，推动人脸识别、虹膜识别、手势控制、机器视觉等变为现实，是开启AI和AR时代的感知钥匙，堪比当初的触屏和双摄，3D成像会很快爆发。目前3D成像和检测主要基于三种方案：TOF、结构光、双目测距。其中TOF方案抗干扰性能好，视角更宽，但深度图像分辨率较低，只能做一些简单避障和视觉导航，不适合高精度场合，且对传感器芯片性能要求高，成本高，量产困难；双目方案，硬件成本最低，但是深度信息依赖纯软件算法得出，此算法复杂度高，难度很大，处理芯片需要很高的计算性能，同时它也继承了普通RGB摄像头的缺点：在昏暗环境下以及特征不明显的情况下并不适用；结构光方案优势在于技术成熟，深度图像分辨率可以做得比较高，虽然易受外界光照影响，但在近距离、高精度、适应性方面有其他两种方案不可比拟的优势，势必会成为一种主流的3D检测方案。基于结构光方案进行3D成像，其分辨率和精度会随距离的变化而不同，一般是测量距离越大，分辨率越低，测量精度越差。目前以色列PrimeSense公司的Kinect1根据三种不同的距离使用了三种不同尺寸的散斑，以在远中近三种距离内都能得到相对较好的测量精度：近距离(0.8～1.2m)可以获得较高的测量精度；中距离(1.2～2.0m)可以获得中等的测量精度；远距离(2.0～3.5m)可以获得较低的测量精度。但此种方式得到的结构光条纹也只有三个级别，结构光条纹密度会受限于光源能量与图像传感器的感光灵敏度，不能投影足够高密度的结构光；同时受限于图像接收传感器的分辨率，3D深度信息精度提高也有限。
技术实现思路
为了如2D成像一样，得到更全面更高精度3D信息，3D深度相机需兼顾视场大小与成像精度，本专利技术提出一种可变焦扫描与变焦接收的3D深度相机，使3D深度相机既可检测到大视野下待测物整体信息，同时也可兼顾待测物体局部高精度信息。本专利技术的技术解决方案是提供一种可变焦3D深度相机，其特殊之处在于：包括编码结构光投影模块、图像接收模块及系统主控模块；上述编码结构光投影模块用于可变焦的将编码结构光投影至待测对象；通过改变投影区域实现可变焦投影，其效果等效于光学领域变焦来改变视野大小；上述图像接收模块用于变焦采集从待测对象反射的编码结构光；上述系统主控模块与编码结构光投影模块及图像接收模块电连接，用于耦合控制编码结构光投影模块与图像接收模块，根据图像接收模块采集到的从待测对象反射的编码结构光相对投影到待测对象上的编码结构光的变化，提取得到待测对象的3D信息。进一步地，上述编码结构光投影模块包括激光光源、扫描振镜及编码结构光投影控制系统；上述编码结构光投影控制系统与激光光源、扫描振镜电连接，用于实时调制激光光源光功率及扫描振镜扫描区域；通过改变扫描振镜扫描区域来改变结构光投影区域大小，其效果等效于光学领域变焦来改变视野大小；扫描振镜位于激光光源出射光路中，激光光源出射的激光入射至扫描振镜后被反射，投射出特定的编码结构光。进一步地，上述扫描振镜为2D扫描振镜或n个1D扫描振镜，其中n等于1或2；当n等于2时，两个1D扫描振镜沿转轴相互重直的方向布置；当为2D扫描振镜或为2个1D扫描振镜时，激光光源为激光点光源；当为1个1D扫描振镜时，激光光源为激光线光源。进一步地，上述编码结构光投影模块还可以是LCD、LED或DLP投影系统与可变焦光学镜头；通过调节可变焦光学镜头调节LCD、LED或DLP的投影区域。进一步地，上述图像接收模块包括图像接收传感器与图像接收光学镜头；上述图像接收传感器为CCD或是CMOS；上述图像接收光学镜头为可变焦镜头，通过调节图像接收光学镜头的焦距，调节图像接收模块视场的大小。进一步地，还包括可动载台，上述编码结构光投影模块，图像接收模块及系统主控模块均固定在可动载台上。本专利技术还提供一种上述的可变焦3D深度相机的成像方法，包括以下步骤：步骤一：编码结构光投影模块产生编码结构光；步二：根据待测对象区域大小，调节图像接收模块可视区域和/或编码结构光投影模块扫描区域，使得编码结构光投影模块扫描区域与图像接收模块可视区域视场匹配，确保待测对象同时处在图像接收模块可视区域与编码结构光投影模块扫描区域；对待测对象进行扫描；图像接收模块采集从待测对象反射的编码结构光；步骤三：系统主控模块根据图像接收模块采集到的从待测对象反射的编码结构光相对投影到待测对象上的编码结构光的变化，提取得到待测对象的3D信息。进一步地，当编码结构光投影模块包括激光光源、扫描振镜及编码结构光投影控制系统；图像接收模块包括图像接收传感器与图像接收光学镜头时；步骤一具体为：编码结构光投影控制系统实时调制激光光源光功率，经一定频率的扫描振镜反射，产生编码结构光；步骤二具体为：根据待测对象区域大小，调节图像传感器可视区域和/或扫描振镜扫描区域，使得扫描振镜扫描区域与图像传感器可视区域视场匹配，确保待测对象同时处在图像传感器可视区域与扫描振镜扫描区域；对待测对象进行扫描；图像传感器采集从待测对象反射的编码结构光。进一步地，当只通过调节图像接收模块可视区域，使得待测对象处在图像传感器可视区域与编码结构光投影模块扫描区域时，系统主控模块调整激光器功率与结构光投影模块投影编码结构光图案，增大视场内结构光条纹或点数密度。进一步地，步骤二中，当扫描振镜为谐振式扫描振镜时，通过编码结构光投影控制系统调节扫描振镜的转角大小，及扫描振镜相对图像接收传感器的位置，从而调节扫描振镜扫描区域中心，实现扫描振镜扫描区域的调节；当扫描振镜为可矢量控制的扫描振镜时，通过编码结构光投影控制系统改变扫描振镜的扫描范围，实现扫描振镜扫描区域的调节；通过调节图像接收光学镜头的焦距实现图像传感器可视区域调节。进一步地，当编码结构光投影模块包括LCD、LED或DLP光源与可变焦光学镜头时；步骤一具体为：根据待测对象区域大小，通过调节可变焦光学镜头调节LCD、LED或DLP的投影区域。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术提出的3D深度相机可变焦扫描与变焦接收，兼顾视场大小与成像精度，使3D深度相机既可检测到大视野下待测物整体信息，同时也得到待测物体局部高精度信息。2、3D深度相机结构光扫描模块通过扫描振镜投影结构光实现，通过控制扫描振镜的扫描角度可实现3D深度相机扫描模块扫描范围的连续可调，且配合激光光源调质，易于改变结构光条纹数或点数，从而实现对待测对像的变焦扫描。附图说明图1为本专利技术3D深度相机示意图；图2为本专利技术3D深度相机扫描视场一；图3为本专利技术3D深度相机扫描视场二；图4为本专利技术3D深度相机变焦扫描示例；图5为本专利技术基于2D扫描振镜的3D深度相机示意图；图中附图标本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可变焦3D深度相机，其特征在于：包括编码结构光投影模块、图像接收模块及系统主控模块；所述编码结构光投影模块用于可变焦的将编码结构光投影至待测对象；所述图像接收模块用于变焦采集从待测对象反射的编码结构光；所述系统主控模块与编码结构光投影模块及图像接收模块电连接，用于耦合控制编码结构光投影模块与图像接收模块，根据图像接收模块采集到的从待测对象反射的编码结构光相对投影到待测对象上的编码结构光的变化，提取得到待测对象的3D信息。

【技术特征摘要】
1.一种可变焦3D深度相机，其特征在于：包括编码结构光投影模块、图像接收模块及系统主控模块；所述编码结构光投影模块用于可变焦的将编码结构光投影至待测对象；所述图像接收模块用于变焦采集从待测对象反射的编码结构光；所述系统主控模块与编码结构光投影模块及图像接收模块电连接，用于耦合控制编码结构光投影模块与图像接收模块，根据图像接收模块采集到的从待测对象反射的编码结构光相对投影到待测对象上的编码结构光的变化，提取得到待测对象的3D信息。2.根据权利要求1所述的可变焦3D深度相机，其特征在于：所述编码结构光投影模块包括激光光源、扫描振镜及编码结构光投影控制系统；所述编码结构光投影控制系统与激光光源、扫描振镜电连接，用于实时调制激光光源光功率及扫描振镜的扫描区域；扫描振镜位于激光光源出射光路中，激光光源出射的激光入射至扫描振镜后被反射，投射出特定的编码结构光。3.根据权利要求2所述的可变焦3D深度相机，其特征在于：所述扫描振镜为2D扫描振镜或n个1D扫描振镜，其中n等于1或2；当n等于2时，两个1D扫描振镜沿转轴相互重直的方向布置；当为2D扫描振镜或为2个1D扫描振镜时，激光光源为激光点光源；当为1个1D扫描振镜时，激光光源为激光线光源。4.根据权利要求1所述的可变焦3D深度相机，其特征在于：所述编码结构光投影模块包括LCD、LED或DLP投影系统与可变焦光学镜头；通过调节可变焦光学镜头调节LCD、LED或DLP的投影区域。5.根据权利要求1至4任一所述的可变焦3D深度相机，其特征在于：所述图像接收模块包括图像接收传感器与图像接收光学镜头；所述图像接收传感器为CCD或是CMOS；所述图像接收光学镜头为可变焦镜头，通过调节图像接收光学镜头的焦距，调节图像接收模块视场的大小。6.根据权利要求1所述的可变焦3D深度相机，其特征在于：还包括可动载台，所述编码结构光投影模块，图像接收模块及系统主控模块均固定在可动载台上。7.一种权利要求1至6任一所述的可变焦3D深度相机的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：编码结构光投影模块产生编码结构光；步骤二：根据待测对象区域大小，调节图像接收模块可视区域和/或编码结构光投影...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏长锋，宋秀敏，杨迪，乔大勇，何伟，
申请(专利权)人：西安知微传感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61