基于VCSEL的三维人脸测量模组及测量方法技术

一种基于VCSEL的双目三维人脸测量模组及时序测量方法，该模组由VCSEL阵列光源、投影透镜、扩束透镜、数模转换模块、两个红外数码相机、频率同步控制模块、微处理器、数据传输模块、控制电路构成。所述模组通过控制电路对每个VCSEL光源独立控制，运用时序编码解码的方法，实现双目立体视觉中同源点的匹配。利用沿时序展开的二值化时序数列配对方式，对每个投影图案光点进行匹配，解决了现有基于VCSEL阵列光源对投影图案要求较高的不相关度和很好的均匀度的问题，实现了对VCSEL阵列光源可任意排列的自由度。本发明专利技术提出了所述时序编码解码的具体方法和采用所述时序测量方法所需编码投影图案的最小幅数。

Three-dimensional Face Measurement Module and Measurement Method Based on VCSEL

A binocular three-dimensional face measurement module and timing measurement method based on VCSEL are presented. The module consists of VCSEL array light source, projection lens, beam expanding lens, digital-to-analog conversion module, two infrared digital cameras, frequency synchronization control module, microprocessor, data transmission module and control circuit. The module controls each VCSEL light source independently by a control circuit, and realizes the matching of homologous points in binocular stereo vision by using the method of time sequence coding and decoding. By using the binary sequential array matching method, each projection pattern light point is matched, which solves the problem that the existing VCSEL array light source requires high irrelevance and good uniformity of the projection pattern, and realizes the freedom of arbitrary arrangement of the VCSEL array light source. The invention provides the specific method of the time sequence coding and decoding and the minimum amplitude of the coding projection pattern required by the time sequence measuring method.

【技术实现步骤摘要】
基于VCSEL的三维人脸测量模组及测量方法
本专利技术涉及机器视觉三维测量领域，具体是一种基于VCSEL的三维人脸测量模组及其时序测量方法。
技术介绍
人脸数字化在公共安全领域及生活娱乐领域都有着极广泛的应用和需求。传统的二维人脸识别包含数据信息量有限，容易受到外界因素的干扰，应用场景也受到一定的限制。随着三维测量技术和相关软件硬件领域的发展，三维人脸数字化在提升国际技术竞争力和推动国内制造业发展等方面都有着重大的意义。三维人脸数据需要通过三维重建技术获得，通过测量工具和算法获取目标人脸的三维模型。由于人脸测量对效率和身体感知等都有特殊的要求，在诸多三维重建技术中，主动式非接触结构光投影三维测量技术在人脸数字化中不断涌现和发展。由于其具有非接触、无损耗、高灵敏度、可全场检测等现代光学测量技术的诸多特点，特别符合三维人脸测量的需求。现有主动式光学三维测量技术主要有傅里叶变换法、相位测量法、灰度编码法和颜色编码法。此类技术采用传统投影仪，不但系统结构复杂，体积庞大，而且对测量环境和光照条件要求苛刻，限制了其在复杂照明条件和嵌入式机器视觉领域的深入应用。垂直腔面发射激光器(VerticalCavitySurfaceEmittingLaser，以下简称为VCSEL)，以砷化镓半导体材料为基础研制，有别于LED(发光二极管)和LD(激光二极管)等其他光源，具有体积小、圆形输出光斑、阈值电流小、易集成为大面积阵列等诸多优点。最吸引人的是它的制造工艺与发光二极管(LED)兼容，大规模制造成本低廉，VCSEL阵列可满足三维人脸数字化中结构光投影的广泛测量需求，方便集成于手机等小型化设备中，并可充分利用手机中的双摄像头，封装成三维测量模组。双目立体视觉的三维测量方法的最关键步骤为在匹配图像中寻找同源点，通过同源点的视差并根据三角测量法可计算出目标物体距离相机的深度信息。所述的同源点即同一物点在双目相机中各自对应的像点。所述的视差即由于左右两个相机位置的差异导致物体成像位置的位移。在现有常用的同源点匹配算法中，由于两个相机的位置差异产生图像形变以及投影结构光图案的变形往往导致错误匹配。三维重建算法和结构光的种类密切相关，一种新的可用于三维轮廓测量的结构光提出总要伴随与之对应的算法。王少卿等人提出一种结合双目立体视觉和达曼激光点阵的三维测量方法【参见在先技术1：王少卿等，基于达曼光栅的物体三维轮廓测量模组及测量方法，中国专利技术专利CN10254347A】，该方法利用光栅投影点阵计算三维点云，该方法的缺陷是无法对单个或几个点阵进行分别控制，当投影点阵过于密集的时候匹配同源点容易出错。由于目前普通CCD响应时间极短，以时间序列展开，可得到结构光投影图案序列，从而实现对人脸三维信息的高效获取。基于时间序列的结构光投影模型在三维人脸测量中已有运用【参见在先技术2：周常河等，用于双目视觉三维测量的同源点快速匹配方法，中国专利技术专利CN103900494A】，但该方法对时序投影图案的要求比较高，导致对集成投影单元要求比较高，并不适合集成于小型化模组当中。在投影结构光采用VCSEL阵列的实施例中，为了得到不相干的结构光图案，对VCSEL光源的排列有特殊要求，在集成化的制作工艺上增加了难度，并且当集成投影单元微型化之后，光源，光学元件等散热性较差，温度的变化会对集成投影单元投射的图案产生影响，制造的误差也会影响到投射图案，从而影响三维重构计算的精度。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出一种基于VCSEL阵列光源的双目三维人脸测量模组及时序测量方法。本专利技术的技术解决方案如下：1一种基于VCSEL的三维人脸测量模组，其特点在于该模组包括：微处理器、集成投影单元、由左红外相机和右红外相机构成的双目相机、数模转换模块、频率同步控制模块、数据传输模块，所述的微处理器的第一输出端与所述的频率同步控制模块的输入端相连，所述的频率同步控制模块的输出端分别与所述的集成投影单元、左红外相机和右红外相机的输入端相连，所述的微处理器的第二输出端经所述的数模转换模块与所述的集成投影单元相连，所述的左红外相机的输出端和右红外相机的输出端经所述的数据传输模块与所述的微处理器的输入端相连；所述的集成投影单元由依次的控制电路、VCSEL阵列光源、VCSEL光源、投影透镜和扩束透镜组成，所述VCSEL阵列光源衬底上的每个VCSEL光源由所述的控制电路单独控制打开或关闭，所述的频率同步控制模块控制所述的每个VCSEL光源进行打开或关闭状态切换的时间间隔为编码周期Ts，每经过一个编码周期Ts，VCSEL阵列光源向空间投射出不同的组合光点点阵图案；所述的左红外数码相机由依次的左CCD阵列、左物透镜、左窄带通滤波片构成，所述的右红外数码相机由依次的右CCD阵列、右物透镜、右窄带通滤波片构成。所述的集成投影单元包含由n(或n1×n2)个VCSEL光源组成的VCSEL阵列光源，每个VCSEL光源由控制电路单独控制打开或者关闭，生成单个可控的红外激光投影光点，即共n(或n1×n2)个可控光点均匀地投射到被测物体表面。利用所述的基于VCSEL的三维人脸测量模组对人脸三维轮廓的测量方法，该方法包括如下步骤：1)在模组搭建完成后，利用标定装置对左红外相机和右红外相机进行标定，获取相机投影矩阵参数M1和M2，M1＝K1[I0]，M2＝K2[RT-RTT]，其中K1、K2为摄像机内部参数，I为单位阵，R、T为两相机中心之间的旋转分量和平移分量；2)在微处理器中预先设计好三维编码矩阵A，元素为0或1，维度为n1×n2×N，n1×n2对应VCSEL阵列光源的空间分布，包含n1行VCSEL光源，每行有n2个VCSEL光源，共有n1×n2个VCSEL光源，N对应投影图案的幅数，同时以不会发生编码混淆的原则确定编码周期Ts；3)利用三维编码矩阵A对VCSEL阵列光源输出的红外激光点阵图案进行时序编码，把N幅含有时序编码信息的点阵图案投射向被测人脸：所述的时序编码为每隔一个时间间隔Ts投影一幅由VCSEL阵列光源输出的不同投影图案，VCSEL阵列光源上的每个VCSEL光源由控制电路单独控制打开或关闭，投影为亮或暗光点，每间隔一个时间间隔Ts，三维编码矩阵A的元素A(row,column,dim)的值为1，映射相对位置的VCSEL光源打开，投影亮光点，值为0，映射为相对位置的VCSEL光源(109)关闭，不投影光点，每一个投影光点沿时序展开编码为一个由亮和暗变换组成，长度为N亮暗不断交替的时序光点；4)在测量过程中，每隔一个编码周期Ts，投影到被测人脸表面的红外激光点阵图案沿时序发生变化，所述的频率同步控制模块控制所述的双目红外相机以与投影图案变化相同的频率1/Ts同频地采集数字图像，经所述的数据传输模块传输至所述的微处理器；5)所述的微处理器把左红外相机采集到的N幅数字图像与右红外相机采集到的N幅数字图像进行数据处理，滤波去噪后提取激光光点的质心，同时解码N幅图像中光点点阵的时序光点，转化为二值化时序数列进行同源点匹配，所述的同源点匹配为N幅左图像中某一光点亮暗变化形成的二值化时序数列与N幅右图像中同一光点亮暗变化形成的二值化时序数列一一对应匹配；6)利用步骤5)获取的同源点质心坐标在左右图像的像素本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于VCSEL的三维人脸测量模组(10)，其特征在于该模组包括：微处理器(101)、集成投影单元(103)、由左红外相机(102A)和右红外相机(102B)构成的双目相机、数模转换模块(104)、频率同步控制模块(105)、数据传输模块(106)，所述的微处理器(101)的第一输出端与所述的频率同步控制模块(105)的输入端相连，所述的频率同步控制模块(105)的输出端分别与所述的集成投影单元(103)、左红外相机(102A)和右红外相机(102B)的输入端相连，所述的微处理器(101)的第二输出端经所述的数模转换模块(104)与所述的集成投影单元(103)相连，所述的左红外相机(102A)的输出端和右红外相机(102B)的输出端经所述的数据传输模块(106)与所述的微处理器(101)的输入端相连；所述的集成投影单元(103)由依次的控制电路(107)、VCSEL阵列光源(108)、VCSEL光源(109)、投影透镜(110)和扩束透镜(111)组成，所述VCSEL阵列光源(108)衬底上的每个VCSEL光源(109)由所述的控制电路(107)单独控制打开或关闭，所述的频率同步控制模块(105)控制所述的每个VCSEL光源(109)进行打开或关闭状态切换的时间间隔为编码周期Ts，每经过一个编码周期Ts，VCSEL阵列光源(108)向空间投射出不同的组合光点点阵图案；所述的左红外数码相机(102A)由依次的左CCD阵列(112A)、左物透镜(113A)、左窄带通滤波片(114A)构成，所述的右红外数码相机(102B)由依次的右CCD阵列(112B)、右物透镜(113B)、右窄带通滤波片(114B)构成。...

【技术特征摘要】
1.一种基于VCSEL的三维人脸测量模组(10)，其特征在于该模组包括：微处理器(101)、集成投影单元(103)、由左红外相机(102A)和右红外相机(102B)构成的双目相机、数模转换模块(104)、频率同步控制模块(105)、数据传输模块(106)，所述的微处理器(101)的第一输出端与所述的频率同步控制模块(105)的输入端相连，所述的频率同步控制模块(105)的输出端分别与所述的集成投影单元(103)、左红外相机(102A)和右红外相机(102B)的输入端相连，所述的微处理器(101)的第二输出端经所述的数模转换模块(104)与所述的集成投影单元(103)相连，所述的左红外相机(102A)的输出端和右红外相机(102B)的输出端经所述的数据传输模块(106)与所述的微处理器(101)的输入端相连；所述的集成投影单元(103)由依次的控制电路(107)、VCSEL阵列光源(108)、VCSEL光源(109)、投影透镜(110)和扩束透镜(111)组成，所述VCSEL阵列光源(108)衬底上的每个VCSEL光源(109)由所述的控制电路(107)单独控制打开或关闭，所述的频率同步控制模块(105)控制所述的每个VCSEL光源(109)进行打开或关闭状态切换的时间间隔为编码周期Ts，每经过一个编码周期Ts，VCSEL阵列光源(108)向空间投射出不同的组合光点点阵图案；所述的左红外数码相机(102A)由依次的左CCD阵列(112A)、左物透镜(113A)、左窄带通滤波片(114A)构成，所述的右红外数码相机(102B)由依次的右CCD阵列(112B)、右物透镜(113B)、右窄带通滤波片(114B)构成。2.根据权利要求1所述的基于VCSEL的三维人脸测量模组，其特征在于，所述的集成投影单元(103)包含由n(或n1×n2)个VCSEL光源(109)组成的VCSEL阵列光源(108)，每个VCSEL光源(109)由控制电路(107)单独控制打开或者关闭，生成单个可控的红外激光投影光点，即共n(或n1×n2)个可控光点均匀地投射到被测物体表面。3.利用权利要求1所述的基于VCSEL的三维人脸测量模组对人脸三维轮廓的测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：1)在模组搭建完成后，利用标定装置对左红外相机(102A)和右红外相机(102B)进行标定，获取相机投影矩阵参数M1和M2，M1＝K1[I0]，M2＝K2[RT-RTT]，其中K1、K2为摄像机内部参数，I为单位阵，R、T为两相机中心之间的旋转分量和平移分量；2)在微处理器(101)中预先设计好三维编码矩阵A，元素为0或1，维度为n1×n2×N，n1×n2对应VCSEL阵列光源(108)的空间分布，包含n1行VCSEL光源(109)，每行有n2个VCSEL光源(109)，共有n1×n2个VCSEL光源(109)，N对应投影图案的幅数，同时以不会发生编码混淆的原则确定编码周期Ts；3)利用三维编码矩阵A对VCSEL阵列光源(108)输出的红外激光点阵图案进行时序编码，把N幅含有时序编码信息的点阵图案投射向被测人脸：所述的时序编码为每隔一个时间间隔Ts投影一幅由VCSEL阵列光源(108)输出的不同投影图案，VCSEL阵列光源(108)上的每个VCSEL光源(109)由控制电路(107)单独控制打开或关闭，投影为亮或暗光点，每间隔一个时间间隔Ts，三维编码矩阵A的元素A(row,column,dim)的值为1，映射相对位置的VCSEL光源(109)打开，投影亮光点，值为0，映射为相对位置的VCSEL光源(109)关闭，不投影光点，每一个投影光点沿时序展开编码为一个由亮和暗变换组成，长度为N亮暗不断交替的时序光点；4)在测量过程中，每隔一个编码周期Ts，投影到被测人脸表面的红外激光点阵图案沿时序发生变化，所述的频率同步控制模块(105)控制所述的双目红外相机(102)以与投影图案变化相同的频率1/Ts同频地采集数字图像，经所述的数据传输模块(106)传输至所述的微处理器(101)；5)所述的微处理器(101)把左红外相机(102A)采集到的N幅数字图像与右红外相机(102B)采集到的N幅数字图像进行数据处理，滤波去噪后提取激光光点的质心，同时解码N幅图像中光点点阵的时序光点，转化为二值化时序数列进行同源点匹...

【专利技术属性】
技术研发人员：周常河，叶晶，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31