一种免成像的运动物体探测与三维追踪装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种免成像的运动物体探测与三维追踪装置及方法，方法包括先利用控制设备控制空间光调制器生成一套正弦条纹图案调制照明，生成的结构光经成像系统和分束装置分成两束偏振光，再经反射装置反射从两个正交方向投射到待测场景，并生成穿过场景的两束透射光，接着两束透射光由光电探测器接收，由数据采集卡得出信号幅值，由控制设备根据信号幅值变化来判断场景中是否存在运动物体以及得出运动物体的三维空间坐标和运动轨迹。本发明专利技术装置结构简单成本低，本发明专利技术方法无需获取、重建或处理物体的图像，空间定位所需采集的数据量少且数据获取时间短，计算复杂度低且耗时短，可实现运动物体甚至高速运动物体的长时间实时探测和跟踪。

【技术实现步骤摘要】
一种免成像的运动物体探测与三维追踪装置及方法
本专利技术涉及运动物体探测与追踪领域，特别是一种免成像的运动物体探测与三维追踪装置及方法。
技术介绍
运动物体的探测与三维追踪在宏观和微观世界得到广泛的应用。目前，实现运动物体三维追踪的方法在宏观方面主要包括双目视觉，基于深度学习的单目视觉，以及微观方面的数字全息显微术、光场显微术、焦点扫描显微术等。这些基于成像的方法主要依赖于图像的获取和处理，即利用相机对目标物体所在的场景进行连续拍摄，并使用计算机处理所得的图像序列，从而得到目标物体的空间位置。图像质量是影响定位准确度的主要因素，图像质量低主要表现为运动模糊和信噪比低。由于相机拍摄的图像是场景在一定曝光时间内的平均，物体在曝光时间内的高速运动会导致运动模糊现象，为了减少运动模糊，可采取缩短曝光时间的方法，但短的曝光时间会导致图像信噪比较低，所以仍然会导致图像质量低的问题。高速摄影技术具备曝光时间短，帧率高的特点，能快速获得质量较高的图像序列。然而，高帧率会导致短时间内产生大量的图像数据，在有限的储存空间、传输带宽和计算机处理能力的条件下，无论是对相机设备的储存，还是对传输设备和接收设备，均造成巨大的压力。最终导致不能持续长时间拍摄和追踪。另外，基于成像的运动物体探测与追踪往往需要复杂的图像处理过程，如运动目标提取，背景去除，图像质量改善等。这些步骤的算法复杂，且计算时间长，难以实现实时的探测和跟踪。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种免成像的运动物体探测与三维追踪装置，该装置结构简单成本低，可用于免成像的运动物体探测与三维追踪。本专利技术的第二目的在于提供一种免成像的运动物体探测与三维追踪方法，该方法无需获取、重建或处理物体的图像，空间定位所需采集的数据量少且数据获取时间短，计算复杂度低且耗时短，可实现运动物体甚至高速运动物体的长时间实时探测和跟踪。本专利技术的第一目的通过下述技术方案实现：一种免成像的运动物体探测与三维追踪装置，包括控制设备、照明模块、待探测场景以及探测模块，照明模块具有空间光调制器、照明光源、成像系统、分束装置和反射装置，探测模块具有光电探测器和数据采集卡，其中，控制设备连接空间光调制器，用于控制空间光调制器产生一套正弦条纹图案；该套图案包含条纹方向分别为竖直和水平的两组正弦条纹图案，且每组包含N张正弦条纹图案；照明光源和空间光调制器设置在照明光源的照明光光路上，照明光源的照明光投射于空间光调制器，空间光调制器用于对照明光源产生的照明光场进行调制，产生含有正弦条纹图案的结构光；空间光调制器、成像系统、分束装置、反射装置、待探测场景和光电探测器沿着光传播路径依次设置，结构光经过成像系统和分束装置后分成两束含有正弦条纹图案的偏振光，两束偏振光经过反射装置反射后分别从正交的两个方向投影到场景，并生成两束透射光；光电探测器通过数据采集卡连接控制设备，光电探测器用于获取穿过场景的两束透射光信号，数据采集卡用于采集光电探测器所得的光信号并输出对应的2N个信号幅值，控制设备用于处理2N个信号幅值，并判断场景中是否存在运动物体以及得出场景中运动物体的三维空间坐标和运动轨迹。优选的，反射装置由第一反射装置和第二反射装置组成，光电探测器由第一光电探测器和第二光电探测器组成，第一反射装置、待探测场景和第一光电探测器沿着其中一束偏振光的光传播路径依次设置，第二反射装置、待探测场景和第二光电探测器沿着另一束偏振光的光传播路径依次设置，第一光电探测器和第二光电探测器同步采集自己所在光路上的透射光信号。优选的，场景和光电探测器之间的透射光传播路径上还设置有偏振片，每束透射光经过偏振片后再收集于光电探测器中。优选的，空间光调制器采用数字微镜装置，其显示二值化图案的刷新频率为QHz，即每秒可以显示Q张不同的二值化正弦条纹图案，其中一帧代表一次探测或定位，一套正弦条纹图案投影完并得到对应的信号幅值代表完成一帧测量。控制设备为计算机；照明光源为白光LED；成像系统为投影透镜；分束装置为偏振分光棱镜；反射装置为反射镜；光电探测器为硅带放大探测器。本专利技术的第二目的通过下述技术方案实现：一种免成像的运动物体探测与三维追踪方法，步骤如下：S1、利用控制设备控制空间光调制器产生一套正弦条纹图案，该套图案包含条纹方向分别为竖直和水平的两组正弦条纹图案，且每组包含N张正弦条纹图案；S2、空间光调制器按照先竖直条纹后水平条纹，每组条纹的初相位从小到大的顺序循环显示所生成的正弦条纹图案，令照明光源的照明光投射于空间光调制器，此时利用空间光调制器对照明光源产生的照明光场进行调制，产生含有正弦条纹图案的结构光；S3、结构光经过成像系统和分束装置后分成两束含有正弦条纹图案的偏振光，两束偏振光经过反射装置反射后分别从正交的两个方向投影到场景，并生成两束透射光；S4、利用光电探测器探测穿过场景的两束透射光信号，所得光信号由数据采集卡采集并得到对应的2N个信号幅值，然后传输给控制设备；S5、通过控制设备处理接收到的2N个信号幅值，并判断场景中是否存在运动物体以及得出场景中运动物体的三维空间坐标和运动轨迹。优选的，空间光调制器采用N步相移法产生一套大小为A×B像素，周期为1的正弦条纹图案，其中，第i张正弦条纹图案的初相位为i＝1,2,...,N，N≥3；记x、y、z为场景所在三维空间的三个正交方向，且x轴、y轴和z轴交于原点O，竖直条纹用于测量场景中的运动物体在场景的x-O-z投影面的x坐标，其频率表示为(fx＝1,fz＝0)，以及测量运动物体在场景的y-O-z投影面的y坐标，其频率表示为(fy＝1,fz＝0)；水平条纹用于测量物体在x-O-z投影面的z坐标，其频率表示为(fx＝0,fz＝1)；正弦条纹图案的生成过程如下：S11、对于x-O-z投影面，根据不同的初相位，利用如下公式生成(1,0)，(0,1)两种频率的多灰度级的正弦条纹图案式中，(fx,fz)表示频率；对于y-O-z投影面，根据不同的初相位，利用如下公式生成(1,0)频率的多灰度级的正弦条纹图案式中，(fy,fz)表示频率；S12、然后利用Floyd-Steinberg误差扩散二值化算法对所得正弦条纹图案进行二值化，最终一套正弦条纹图案一共有2N张图案，坐标x、y、z完成归一化，坐标取值范围为(0～1)。更进一步的，在步骤S3中，分成的两束偏振光经过反射装置反射后，其中一束偏振光沿场景的x-O-z投影面的法线方向y投影到场景，另一束偏振光沿场景的y-O-z投影面的法线方向x投影到场景，两个投影面正交，方向x和方向y正交，场景位于在两束投影图案的像面处，最终在场景的两个投影面均获得清晰的正弦条纹图案。更进一步的，在步骤S4中，数据采集卡根据光信号得到信号幅值，具体为：设场景的x-O-z投影面为I(x,z)，经正弦条纹图案投影到场景后所得透射光的信号幅值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种免成像的运动物体探测与三维追踪装置，其特征在于，包括控制设备、照明模块、待探测场景以及探测模块，照明模块具有空间光调制器、照明光源、成像系统、分束装置和反射装置，探测模块具有光电探测器和数据采集卡，其中，/n控制设备连接空间光调制器，用于控制空间光调制器产生一套正弦条纹图案；该套图案包含条纹方向分别为竖直和水平的两组正弦条纹图案，且每组包含N张正弦条纹图案；/n照明光源和空间光调制器设置在照明光源的照明光光路上，照明光源的照明光投射于空间光调制器，空间光调制器用于对照明光源产生的照明光场进行调制，产生含有正弦条纹图案的结构光；/n空间光调制器、成像系统、分束装置、反射装置、待探测场景和光电探测器沿着光传播路径依次设置，结构光经过成像系统和分束装置后分成两束含有正弦条纹图案的偏振光，两束偏振光经过反射装置反射后分别从正交的两个方向投影到场景，并生成两束透射光；/n光电探测器通过数据采集卡连接控制设备，光电探测器用于获取穿过场景的两束透射光信号，数据采集卡用于采集光电探测器所得的光信号并输出对应的2N个信号幅值，控制设备用于处理2N个信号幅值，并判断场景中是否存在运动物体以及得出场景中运动物体的三维空间坐标和运动轨迹。/n...

【技术特征摘要】
1.一种免成像的运动物体探测与三维追踪装置，其特征在于，包括控制设备、照明模块、待探测场景以及探测模块，照明模块具有空间光调制器、照明光源、成像系统、分束装置和反射装置，探测模块具有光电探测器和数据采集卡，其中，
控制设备连接空间光调制器，用于控制空间光调制器产生一套正弦条纹图案；该套图案包含条纹方向分别为竖直和水平的两组正弦条纹图案，且每组包含N张正弦条纹图案；
照明光源和空间光调制器设置在照明光源的照明光光路上，照明光源的照明光投射于空间光调制器，空间光调制器用于对照明光源产生的照明光场进行调制，产生含有正弦条纹图案的结构光；
空间光调制器、成像系统、分束装置、反射装置、待探测场景和光电探测器沿着光传播路径依次设置，结构光经过成像系统和分束装置后分成两束含有正弦条纹图案的偏振光，两束偏振光经过反射装置反射后分别从正交的两个方向投影到场景，并生成两束透射光；
光电探测器通过数据采集卡连接控制设备，光电探测器用于获取穿过场景的两束透射光信号，数据采集卡用于采集光电探测器所得的光信号并输出对应的2N个信号幅值，控制设备用于处理2N个信号幅值，并判断场景中是否存在运动物体以及得出场景中运动物体的三维空间坐标和运动轨迹。


2.根据权利要求1所述的一种免成像的运动物体探测与三维追踪装置，其特征在于，反射装置由第一反射装置和第二反射装置组成，光电探测器由第一光电探测器和第二光电探测器组成，第一反射装置、待探测场景和第一光电探测器沿着其中一束偏振光的光传播路径依次设置，第二反射装置、待探测场景和第二光电探测器沿着另一束偏振光的光传播路径依次设置，第一光电探测器和第二光电探测器同步采集自己所在光路上的透射光信号。


3.根据权利要求1所述的一种免成像的运动物体探测与三维追踪装置，其特征在于，场景和光电探测器之间的透射光传播路径上还设置有偏振片，每束透射光经过偏振片后再收集于光电探测器中。


4.根据权利要求1所述的一种免成像的运动物体探测与三维追踪装置，其特征在于，空间光调制器采用数字微镜装置，其显示二值化图案的刷新频率为QHz，即每秒可以显示Q张不同的二值化正弦条纹图案，其中一帧代表一次探测或定位，一套正弦条纹图案投影完并得到对应的信号幅值代表完成一帧测量。
控制设备为计算机；照明光源为白光LED；成像系统为投影透镜；分束装置为偏振分光棱镜；反射装置为反射镜；光电探测器为硅带放大探测器。


5.一种免成像的运动物体探测与三维追踪方法，其特征在于，步骤如下：
S1、利用控制设备控制空间光调制器产生一套正弦条纹图案，该套图案包含条纹方向分别为竖直和水平的两组正弦条纹图案，且每组包含N张正弦条纹图案；
S2、空间光调制器按照先竖直条纹后水平条纹，每组条纹的初相位从小到大的顺序循环显示所生成的正弦条纹图案，令照明光源的照明光投射于空间光调制器，此时利用空间光调制器对照明光源产生的照明光场进行调制，产生含有正弦条纹图案的结构光；
S3、结构光经过成像系统和分束装置后分成两束含有正弦条纹图案的偏振光，两束偏振光经过反射装置反射后分别从正交的两个方向投影到场景，并生成两束透射光；
S4、利用光电探测器探测穿过场景的两束透射光信号，所得光信号由数据采集卡采集并得到对应的2N个信号幅值，然后传输给控制设备；
S5、通过控制设备处理接收到的2N个信号幅值，并判断场景中是否存在运动物体以及得出场景中运动物体的三维空间坐标和运动轨迹。


6.根据权利要求5所述的一种免成像的运动物体探测与三维追踪方法，其特征在于，空间光调制器采用N步相移法产生一套大小为A×B像...

【专利技术属性】
技术研发人员：张子邦，钟金钢，邓绮雯，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东;44