一种激光三维视觉成像方法与流程

本发明属于光学领域，具体涉及一种激光三维视觉成像方法。

背景技术：

智能系统是当前国民科技发展的重要组成部分，该领域对于高精度感知周围环境三维图像信息有迫切需求。激光三维视觉系统是目前解决高精度感知周围环境三维图像信息最有效的技术手段之一。信息获取能力强，工作距离远、抗干扰能力强等特点使其可以成为智能系统重要的信息获取辅助。作为复杂的激光测量手段，高精度低成本激光振镜扫描3d视觉系统的系统构成直接决定系统的性能和指标，因此三维视觉系统设计是极其重要的，然而在实际应用中，激光3d视觉系统面临着技术难度大，器件价格高等问题。

收发合置光学天线作为一种常见的光学天线体制，因其可以使用光敏面小、响应速度高的探测器，背景光引入低等特点，广泛应用于各种光学探测方案之中。

技术实现要素：

为了提供一种高精度低成本激光三维视觉成像方法，本发明提出一种激光三维视觉成像方法，本发明技术方案如下：

一种激光三维视觉成像方法，该方法所用的成像系统包括计算机控制模块、激光载波光源、收发合置模块、信号处理模块和光电探测器；其中，收发合置模块包括光学系统扫描模块和光电接收模块；该方法包括：

计算机控制模块分别向激光载波光源、收发合置模块中、信号处理模块和光电探测器发送同步工作指令，其中，

激光载波光源向收发合置模块发射载波光波，载波光波由光电接收模块接收，经收发光学系统扫描模块入射至目标，经目标反射后，带有目标距离信息的回波信号通过光电探测器传输给信号处理模块；

光学系统扫描模块同时对目标进行扫描，并将扫描得到的带有目标空间位置信息的电信号传输至信号处理模块；

信号处理模块对接收到的带有目标距离信息的回波信号和带有目标空间位置信息的电信号进行空间坐标拟合，实现目标的图像反演。

优选地，所述收发合置模块还包括收发合置隔离开关模块，用于隔离发射光与回波光。

优选地，所述光电探测器选用apd雪崩光电二极管。

优选地，所述光学系统扫描模块采用直接探测体制，扫描方式为振镜二维光机扫描。

优选地，所述光学系统扫描模块选用检流计式振镜。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明的激光三维视觉成像方法，该方法将目标的距离信息与目标的空间二维坐标进行拟合，重建三维环境信息，相比于传统扫描成像方法，本发明方法成像更加准确、真实。

本发明方法相比于现有方法能够降低成像系统激光发射要求，便于实现三维视觉成像系统小型化，可以提高使用效率，降低研制成本。

附图说明

图1为实施例中激光三维视觉成像方法的控制流程图；

图2为实施例中空间坐标拟合示意图；

图3为实施例中收发合置模块系统结构示意图；

图4为实施例中对单一距离信息的多目标组合成像实验结果示意图；

图5为实施例中对复杂人物目标成像实验结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

实施例一：

本实施例采用本发明提出的激光三维视觉成像方法，如图1所示，该方法所使用的的成像系统包括计算机控制模块、激光载波光源、收发合置模块、信号处理模块和光电探测器；其中，收发合置模块包括光学系统扫描模块、收发合置隔离开关模块和光电接收模块；其中，收发合置隔离开关模块用于隔离发射光与回波光。本实施例的光电探测器选用apd雪崩光电二极管，光学系统扫描模块选用检流计式振镜，检流计振镜扫描角度均匀，对镜片表面面型要求低，位置精度高；

工作时，计算机控制模块分别向激光载波光源、收发合置模块中的光学系统扫描模块、信号处理模块和光电探测器发送同步工作指令，实现工作模块间的时钟同步，其中，

激光载波光源向收发合置模块中的光电接收模块发射载波光波，载波光波经收发合置模块中的光学系统扫描模块入射目标，经目标反射后，带有目标距离信息的回波信号通过光电探测器传输给信号处理模块；

光学系统扫描模块在同一时刻对目标进行扫描，本系统采用直接探测体制，扫描方式为振镜二维光机扫描，光学系统扫描模块将扫描得到的带有目标空间位置信息的电信号传输至信号处理模块；

信号处理模块对接收到的带有目标空间位置信息的电信号和带有目标距离信息的回波信号进行空间坐标拟合，实现目标的图像反演。

上述空间坐标拟合的成像原理如下：

通过对不同2维位置坐标点上的距离信息拟合，将目标距离项和目标平面空间二维坐标一一对应，得到距离项和二维坐标的组合图像，如图2(a)和图2(b)所示，可以看出三种距离项拟合的空间二维坐标，重构了一副由不同距离区分的“hit”字母图像，图2(b)中的“hit”三个字母以及黑框白圈分别用于区分4种不同的距离项。高精度低成本激光振镜扫描3d视觉系统的成像质量主要取决于二维扫描的平面图扫描精度和不同距离项的测量精度，本实施例以检流计式振镜为核心的光学系统扫描模块直接决定平面坐标构建的准确性，同时也可以成像兼顾系统小型化且低成本。

实施例二：

本实施例的选择性设计在于：本实施例中的收发合置模块如图3所示，通过偏振隔离原理，发射光通过1/2波片后变成线偏振光，通过两个偏振分束棱镜(pbs)获得偏振方向与偏振分束棱镜(pbs)匹配的线偏振光，该线偏振发射光经过1/4波片后变成圆偏振光，照射到目标后回波光沿原光路返回，再次经过1/4波片后，圆偏振回波光重新变为线偏振光，但偏振方向与原偏振方向垂直，原路回到pbs后，因为偏振方向垂直于与偏振分束棱镜(pbs)匹配的方向，所以不能通过偏振分束棱镜(pbs)，而是被反射到垂直于偏振分束棱镜(pbs)偏振面的方向上，实现发射光和回波光的完美隔离，通过测量回波时间就可以得出相应的距离项，而不会受到发射光的干扰。

应用实施例一：

本应用实施例按实施例一中提供的方法分别对单一距离信息的多目标组合和相对复杂的人物目标进行成像实验，其中，

对单一距离信息的多目标组合成像实验结果如图4所示，其目标为一组高度为80mm的等高多形状泡沫塑料目标。等高目标的扫描，可以考察系统对时间测量的稳定性，是否有大幅的高度波动是观察图像的主要出发点，从图中的图形高度分布可以看出，代表目标图像距离信息的高度差分布均匀，距离波动小，这说明在相同距离上，系统对时间间隔测量十分稳定，测量误差波动小。其中有一部分丢点区域，但仍旧大致还原了扫描目标的形貌。同时可以看到外形有比较明显的形变，同球目标扫描一样，这是后期图像处理造成的图像失真。

对相对复杂的人物目标进行了扫描成像实验结果如图5所示，人物目标全身包裹衣物是为了降低毛发对信号的吸收，目标站立位置最近端和后方白板距离50cm，可以看出，已经大致还原了人物目标的特征。

通过以上成像实验结果，可以看出，对单一距离、单目标成像时，距离信息获取良好，近距离成像准确、真实，但随着距离的提升，成像质量恶化明显，这是信噪比降低和系统调试精度不足造成的；对于变化距离、单目标成像，受到测时系统分辨率制约明显，同时在复杂距离项的图像处理上还有待优化；而在对单一距离的多目标成像时，丢点和形变是主要问题，这也和成像后期的图像处理由主要关系。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。