深度数据测量头、测量装置和测量方法与流程

本发明涉及三维成像领域，具体地说，涉及一种深度数据测量头、测量装置和测量方法。

背景技术：

1、深度摄像头是一种采集目标物体深度信息的采集设备，这类摄像头广泛应用于三维扫描、三维建模等领域，例如，现在越来越多的智能手机上配备了用于进行人脸识别的深度摄像装置。在现有技术中，可以使用条纹光编码来实现高精度成像。但条纹光编码需要拍摄多幅不同条纹图像进行单幅深度图像合成，因此由此得到的深度图像帧率较低，无法达到实时高精度动态成像的要求。

2、为此，需要一种改进的深度数据测量方案。

技术实现思路

1、本公开要解决的一个技术问题是提供一种改进的深度数据测量方案，能够利用设置有相移曝光的不同组像素的图像传感器对投射的在不同子周期中具有相继相移的线型光进行成像，使得在线型光的单次扫描中，图像传感器的不同组像素能够各自获取不同的相移条纹图像，从而实现单次线型光扫描的多幅条纹图像的获取。由此，可以大幅提升深度图的合成速度，并且适于对运动中目标对象进行拍摄。

2、根据本公开的第一个方面，提供了一种深度成像测量头，包括：投影装置，用于向成像区域投射沿第一方向移动的线型光，其中所述线型光的长度方向是与所述第一方向垂直的第二方向；图像传感器，所述图像传感器包括在成像表面均匀分布的n组像素，每组像素以彼此间隔2π/n相位的曝光开关周期te进行曝光，其中，n是大于1的整数，其中，所述投影装置在扫描周期内完成一次图案扫描，所述扫描周期中包括多个循环子周期在每个循环子周期中，所述线型光以投射周期tp进行亮暗变化，所述投射周期tp的时长与所述曝光开关周期te的时长相同，并且所述投射周期tp包括n个宽2π/n的波形投射区，对每个波形投射区的投射光强进行编码，使得在所述扫描周期内完成一次图案扫描时，所述图像传感器的n组像素各自成像一个不同的条纹图案，并且n个条纹图案构成彼此之间存在2π/n相移的一组n步相移图案。

3、可选地，所述图像传感器包括多个像素单元，每个像素单元包括各自属于n组像素中的一个像素。

4、可选地，所述线型光的投射投射周期tp与所述第一组像素的曝光开关周期te同步。

5、可选地，在每个亚周期ti中，所述线型光的各个投射周期tp内投射波形相同，并且是2π/n相位亮区，6π/n相位暗区的矩形波，其中，所述n个条纹图案是亮区和暗区重复的条纹图案。

6、可选地，线型光扫描对应于每列像素上的停留时间tc不小于扫描周期除以列数c，所述停留时间tc是所述投射周期tp的10倍以上。

7、可选地，在每个亚周期ti中，所述线型光以投射周期tp投射m次，并且每个亚周期ti的持续时间大于所述停留时间tc。

8、可选地，所述图像传感器中的每个像素包括对应的电荷存储单元，在所述扫描周期内完成一次图案扫描时，从n组像素各自对应的n组电荷存储单元中获取一组n步相移图案，所述一组n步相移图案用于生成所述成像区域的一张深度图。

9、可选地，所述投影装置在第一扫描周期内完成一次图案扫描，以使得所述图像传感器的n组像素各自成像一个不同的条纹图案，n个条纹图案构成一组格雷码图案；所述投影装置在第二扫描周期内完成一次图案扫描，以使得所述图像传感器的n组像素各自成像一个不同的条纹图案，并且n个条纹图案构成所述一组n步相移图案，其中，基于所述一组格雷码图案，从所述一组n步相移图案生成所述成像区域的一张深度图。

10、可选地，所述投影装置包括：发光装置，用于产生线型光；以及反射装置，用于反射线型光，以以预定频率向拍摄区域投射在所述条纹方向的垂直方向上移动的线型光，所述线型光的长度方向是所述投射条纹的长度方向，所述反射装置包括如下之一：以所述预定频率往复振动的机械振镜；以预定频率往复运动的微镜器件；以及以预定频率单向旋转的机械转镜。

11、可选地，所述图像传感器包括相对位置固定的第一图像传感器和第二图像传感器，其中，所述第一图像传感器和第二图像传感器各自包括所述n组像素，并且彼此同步进行曝光。

12、可选地，所述投影装置在α个扫描周期内完成α次图案扫描，每个所述扫描周期中包括多个循环子周期在每个循环子周期中，包括n个亚周期t1-tn，在每个亚周期ti中，所述线型光以投射周期tp进行亮暗变化投射，所述投射周期tp的时长与所述曝光开关周期te的时长相同，并且所述投射周期tp包括亮区，其中，在亚周期t1-tn中，所述亮区在所述投射周期tp中所处的位置以2π/αn相位的间隔进行变化，使得在每次所述扫描周期内完成一次图案扫描时，所述图像传感器的n组像素各自成像一个不同的条纹图案，并且在α个扫描周期内完成α次图案扫描时，αn个条纹图案构成彼此之间存在2π/αn相移的一组αn步相移图案，其中，α是大于等于2的整数。

13、可选地，所述投影装置在扫描周期内完成一次图案扫描，所述扫描周期中包括多个循环子周期在每个循环子周期中，包括n个亚周期t1-tn，在每个亚周期ti中，所述线型光以投射周期tp进行亮暗变化，所述投射周期tp的时长与所述曝光开关周期te的时长相同，并且所述投射周期tp包括亮区，其中，在亚周期t1-tn中，所述亮区在所述投射周期tp中所处的位置以2π/n相位的间隔进行变化，使得在所述扫描周期内完成一次图案扫描时，所述图像传感器的n组像素各自成像一个不同的条纹图案，并且n个条纹图案构成彼此之间存在2π/n相移的一组n步相移图案。可选地，n＝2n，n是大于等于1的整数。。

14、根据本公开的第二个方面，提供了一种深度数据测量装置，包括：根据第一方面所述的深度数据测量头，以及与所述深度数据测量头相连接的处理器，用于在所述扫描周期内完成一次图案扫描时，从获取的所述n个条纹图案中求取所述成像区域的一张深度图。

15、根据本公开的第三个方面，提供了一种深度数据测量方法，包括：向成像区域投射沿第一方向移动的线型光，其中，所述线型光的长度方向是与所述第一方向垂直的第二方向，投射的线型光在扫描周期内完成一次图案扫描，所述扫描周期中包括多个循环子周期在每个循环子周期中，所述线型光以投射周期tp进行亮暗变化，所述投射周期tp的时长与所述曝光开关周期te的时长相同，并且所述投射周期tp包括n个宽2π/n的波形投射区，对每个波形投射区的投射光强进行编码，n是大于1的整数；使用包括在成像表面均匀分布的n组像素的图像传感器对所述成像区域进行拍摄以获得在所述线型光扫描投射下的n个图像帧，其中，每组像素以彼此间隔2π/n相位的曝光开关周期te进行曝光；以及基于所述图像帧求取所述成像区域内被测对象的深度数据，其中，每个波形投射区的投射光强被编码以使得在所述扫描周期内完成一次图案扫描时，所述图像传感器的n组像素各自成像一个不同的条纹图案，并且n个条纹图案构成彼此之间存在2π/n相移的一组n步相移图案。

16、由此，本发明的深度成像测量头能够实现线型光单次扫描下的n步相移图的同时获取，由此提升成像速度。

技术特征：

1.一种深度成像测量头，包括：

2.如权利要求1所述的深度成像测量头，其中，所述图像传感器包括多个像素单元，每个像素单元包括各自属于n组像素中的一个像素。

3.如权利要求1所述的深度成像测量头，其中，所述线型光的投射投射周期tp与所述第一组像素的曝光开关周期te同步。

4.如权利要求1所述的深度成像测量头，其中，n＝2n，n是大于等于1的整数。

5.如权利要求1所述的深度成像测量头，其中，每个波形投射区对应投射的是宽2π/n的矩形波或0，并且基于一组n步相移图案对应于一个循环子周期的光强分布，确定每个波形投射区的光强。

6.如权利要求5所述的深度成像测量头，其中，所述一组n步相移图案是正弦波四步相移图案，并且基于n组像素对应于波形投射区的曝光求取每个投射周期tp中每个波形投射区的光强取值，其中，所述光强取值不小于零。

7.如权利要求1所述的深度成像测量头，其中，线型光扫描对应于每列像素上的停留时间tc不小于扫描周期除以列数c，所述停留时间tc是所述投射周期tp的10倍以上。

8.如权利要求6所述的深度成像测量头，其中，在每个亚周期ti中，所述线型光以投射周期tp投射m次，并且每个亚周期ti的持续时间大于所述停留时间tc。

9.如权利要求1所述的深度成像测量头，其中，所述图像传感器中的每个像素包括对应的电荷存储单元，在所述扫描周期内完成一次图案扫描时，从n组像素各自对应的n组电荷存储单元中获取所述一组n步相移图案，所述一组n步相移图案用于生成所述成像区域的一张深度图。

10.如权利要求1所述的测量头，其中，所述投影装置在第一扫描周期内完成一次图案扫描，以使得所述图像传感器的n组像素各自成像一个不同的条纹图案，n个条纹图案构成一组格雷码图案；

11.如权利要求1所述的测量头，其中，所述投影装置包括：

12.如权利要求1所述的测量头，其中，所述图像传感器包括相对位置固定的第一图像传感器和第二图像传感器，其中，所述第一图像传感器和第二图像传感器各自包括所述n组像素，并且彼此同步进行曝光。

13.如权利要求1所述的测量头，其中，所述投影装置在α个扫描周期内完成α次图案扫描，每个所述扫描周期中包括多个循环子周期在每个循环子周期中，包括n个亚周期t1-tn，在每个亚周期ti中，所述线型光以投射周期tp进行亮暗变化投射，所述投射周期tp的时长与所述曝光开关周期te的时长相同，并且所述投射周期tp包括亮区，其中，在亚周期t1-tn中，所述亮区在所述投射周期tp中所处的位置以2π/αn相位的间隔进行变化，使得在每次所述扫描周期内完成一次图案扫描时，所述图像传感器的n组像素各自成像一个不同的条纹图案，并且在α个扫描周期内完成α次图案扫描时，αn个条纹图案构成彼此之间存在2π/αn相移的一组αn步相移图案，其中，α是大于等于2的整数。

14.如权利要求1所述的测量头，其中，在每个循环子周期中，包括n个亚周期t1-tn，在每个亚周期ti中，所述线型光以投射周期tp进行亮暗变化投射，所述投射周期tp的时长与所述曝光开关周期te的时长相同，并且所述投射周期tp包括亮区，其中，在亚周期t1-tn中，所述亮区在所述投射周期tp中所处的位置以2π/n相位的间隔进行变化，使得在所述扫描周期内完成一次图案扫描时，所述图像传感器的n组像素各自成像一个不同的条纹图案，并且n个条纹图案构成彼此之间存在2π/n相移的一组明暗条纹的n步相移图案。

15.一种深度数据测量装置，包括：

16.一种深度数据测量方法，包括：

技术总结
公开了一种深度数据测量头、测量装置和测量方法。所述测量头包括：投影装置，用于向成像区域投射线型光；包括在成像表面均匀分布的N组像素的图像传感器，每组像素以彼此间隔2π/N相位的曝光开关周期t<subgt;e</subgt;进行曝光。所述投影装置在扫描周期内完成一次图案扫描，所述扫描周期中包括多个循环子周期，在每个循环子周期中，投射周期t<subgt;p</subgt;包括N个宽2π/N且光强基于成像图案被编码的波形投射区。由此，在扫描周期内完成一次图案扫描时，所述图像传感器的N组像素各自成像一个不同的条纹图案，并且N个条纹图案之间存在2π/N的相移。本发明可以实现单次线型光扫描的多幅图像的获取，从而大幅提升深度图的合成速度，并且适于对运动中目标对象进行拍摄。

技术研发人员：王敏捷,梁雨时
受保护的技术使用者：上海图漾信息科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16