CN108345002B - 结构光测距装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构光测距装置和方法。装置包括：向被测空间投射结构光的光源；与光源之间具有预定的相对空间位置关系并且包括图像传感器和成像视场角调整组件的成像单元，被被测空间内障碍物反射的结构光经由成像视场角调整组件在图像传感器上成像，其中成像视场角调整组件被设置为压缩成像单元在特定方向上的成像视场角；以及连接至成像单元的处理器，处理器根据相对空间位置关系和成像视场角调整组件的调整参数，从障碍物在图像传感器上的成像中求取障碍物的深度距离。由此，能够通过在成像镜头中并入特定方向上的视场角压缩功能来增大条状或线形光的成像线宽，从而为线形光定位提供更多的信息，改善测量精度并提供抗扰动能力。

Description

结构光测距装置及方法

技术领域

本发明涉及结构光测距，尤其涉及一种利用结构光来测量目标距离的装置和方法。

背景技术

为了四处行进或者在预备信息不足的地方执行作业，保洁机器人或自移动机器人需要具有自主规划路径，检测障碍物并避免碰撞的能力。为此，测量到障碍物的距离以估算位置是自移动机器人应该具备的基本能力。此外，在例如安保系统的入侵感测系统中，测量到目标物的距离的能力也是必需的。

业已使用了各种方法来进行上述距离测量。在其中，利用结构光和成像装置(例如，相机)进行测距的方法非常有效。该方法所需计算量较小并能用于亮度较小的场所(例如，阴暗室内)。

根据该方法，如图1所示，利用光源10主动将结构光(例如，线形光)照射到障碍物30上，并且利用诸如相机的传感器20获得反射光的图像。然后，可以根据三角法测量法从图2A中的图像高度来计算光发射位置与障碍物30之间的距离。图2B-D进一步示出了发光位置到障碍物之间距离对成像的影响。对于图案较为简单的结构光(例如，线形光)，由于其在图像传感器上的成像通常只有几个像素的宽度，使得难以准确定位线宽中心，也容易受到例如成像噪点等扰动的影响。

此外，出于成本的考虑，优选结构更为简单紧凑的测距系统。

因此，需要一种能够解决上述至少一个问题的结构光测距装置以及相应的方法。

发明内容

为了解决上述至少一个问题，本发明提供了一种结构光测距系统和方法，能够通过在成像镜头中并入特定方向上的视场角压缩功能来增大条状或线形光的成像线宽，从而为线形光定位提供更多的信息，改善测量精度并提供抗扰动能力。

根据本发明的一个方面，提供了一种结构光测距装置，包括：向被测空间投射结构光的光源；以及与所述光源之间具有预定的相对空间位置关系并且包括图像传感器和成像视场角调整组件的成像单元，被所述被测空间内障碍物反射的结构光经由所述成像视场角调整组件在所述图像传感器上成像，其中所述成像视场角调整组件被设置为压缩所述成像单元在特定方向上的成像视场角；以及连接至所述成像单元的处理器，所述处理器根据所述相对空间位置关系和所述成像视场角调整组件的调整参数，从所述障碍物在所述图像传感器上的成像中求取所述障碍物的深度距离。

由此，通过压缩特定方向上的成像视场角，加强对该特定方向上的有效信息的获取，由此克服窄型结构光(例如，线形光)在其窄向上定位信息不足且易受干扰影响的固有缺陷，并从整体上提升测距精度。

成像视场角调整组件涵盖了传统光学镜头的成像功能。成像视场角调整组件可以包括光学透镜，例如，由一组经合理设计的光学透镜组成。优选地，成像视场角调整组件可由在光路上依次排序的一个凹透镜和四个凸透镜组成。更优选地，这四个凸透镜可以在光路上依次排序为一个弯月形凸透镜、两个平凸透镜和一个弯月形凸透镜。由此，通过光学透镜的合理组合，同时实现传统成像和压缩特定方向视场角这两种功能。

进一步地，成像视场角调整组件还可以具有成像比例调整功能，例如增大所述被测空间远端的障碍物的反射光在所述图像传感器上的成像比例。

图像传感器和成像视场角调整组件之间还可以布置有滤光片，以便滤除结构光之外的其他波段光对成像的不利影响。

投射的结构光是第一方向上的投射角大于第二方向上的投射角的窄形光，并且成像视场角调整组件可以压缩成像单元在该较窄方向(即，第二方向)上的投射角。由此提升对该方向上各成像像素的利用效率。优选地，结构光是线形光，成像视场角调整组件则相应地压缩成像单元在线形光线宽方向上的成像视场角。

深度距离的求取可以通过反向查表实现。处理器可以基于预先标定得到的、包括成像位置与深度距离的对应关系的位置距离匹配表，根据所述障碍物在所述图像传感器上的成像位置查找得到所述障碍物的相应深度距离，其中所述位置距离匹配表中的匹配数据与所述相对空间位置关系和所述成像视场角调整组件的调整参数相关联。由此提升深度数据的求取速度。

另外，成像视场角调整组件的设置还可以提升测距装置的抗扰动能力。处理器可以基于成像视场角调整组件的调整参数设置过滤参数，并使用过滤参数来滤除图像传感器的成像扰动。

根据本发明的另一个发明，提供了一种结构光测距方法，包括：向被测空间投射结构光；用与所述光源之间具有预定相对空间位置关系的成像单元对被所述被测空间内障碍物反射的结构光进行成像，所述反射的结构光经由所述成像视场角调整组件在所述图像传感器上成像，其中所述成像视场角调整组件被设置为压缩所述成像单元在特定方向上的成像视场角；以及根据所述相对空间位置关系和所述成像视场角调整组件的调整参数，从所述障碍物在所述图像传感器上的成像中求取所述障碍物的深度距离。

优选地，该方法还可以包括：通过标定获取位置距离匹配表，所述位置距离匹配表中的匹配数据与所述相对空间位置关系和所述成像视场角调整组件的调整参数相关联，并且其中，根据所述相对空间位置关系和所述成像视场角调整组件的调整参数，从所述障碍物在所述图像传感器上的成像中求取所述障碍物的深度距离包括：基于所述位置距离匹配表，根据所述障碍物在所述图像传感器上的成像位置查找得到所述障碍物的相应深度距离。

优选地，该方法还可以包括：基于所述成像视场角调整组件的调整参数设置过滤参数；以及使用所述过滤参数来滤除所述图像传感器的成像扰动。

利用本发明的测距装置和方法，能够通过简单压缩特定方向上的成像视场角，提升对该方向上的结构光信息的获取水平，并有效利用图像传感器在该方向上的成像像素，由此实现低成本高精度的测距。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了不包括本发明的附加光学组件的测距系统的侧视图。

图2A-D示出了计算障碍物深度距离的原理示意图。

图3是示出了根据本发明一个实施例的测距装置的示意图。

图4A和4B分别示出了现有技术和本发明对线形光成像的图像示例。

图5示出了根据本发明一个实施例的成像单元的光路示意图。

图6示出了根据本发明一个实施例的结构光测距方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图1示出了不包括本发明的附加光学组件的测距系统的示意图。图中的测距系统包括光源10和成像装置(例如，相机)20。光源10主动发射光，光照射到障碍物30上被反射，并由相机20捕捉并成像障碍物30所反射的图像的信息。在这里，发射的光可以是点光，也可以是任何具有结构的光(即，结构光)，例如线形光。优选地，光源10可以是激光源，以保证线形光在被测空间范围内的会聚性。更优选地，光源10可以是近红外激光源，由此保证测距系统能够适应各种光照条件而不与可见光相混淆。虽然图中未示出，该系统还可以包括用于根据获取的各类信息计算深度距离的处理器。

图2A-D示出了计算障碍物深度原理的示意图。参照图2A，光源10发出的线形光照射到障碍物30。这里假设光源具有视场a(即，辐射角a)，在实际应用中，该辐射角可以设定在90～150度之间。图2B示出由相机20获得的图像40。由于线性光照射到的障碍物30各处深度相等(例如，障碍物30可以是垂直于线性光行进方向的竖直墙面)，因此障碍物的反射光在图像40上仍然呈一条水平直线。相应地参考图2C和图2D，当障碍物30深度不一致时，则该障碍物反射光在相机图像40上呈现为高度不一的线段。即，图像传感器上的成像高度(即，y方向上的值)能够反应传感器20和障碍物30之间的距离。在此例中，障碍物距离越远，反射光成像的高度就越低，在y方向上的值就越小。

如图2A-D所示，在诸如保洁等领域，通常只需检测行进路线上是否有障碍物存在，而无需知晓障碍物表面的具体细节。因此，相比于复杂的散斑图案，具有最简单图案的结构光(即，线形光)通常就能够满足例如保洁机器人的测距需要。但由于线形光的线宽较窄，其在图像传感器上的成像通常只有几个像素甚至一个像素的宽度，这就不利于对每段线形光中心的提取，不利于对成像噪点的正确滤除，也就不利于基于线形光位置的障碍物深度的精确确定。另外，由于市售图像传感器(例如，CMOS图像传感器)具有固定的高宽比，而保洁机器人的测距范围有限，这就使得成像往往集中于例如图像中部，因此并未完全利用图像传感器整个成像高度。

为了解决上述问题，本发明提出了一种结构光测距装置。图3示出了根据本发明一个实施例的测距装置的示意图。该装置包括光源100、成像单元200和处理器400。光源100用于向被测空间投射结构光。结构光照射到障碍物300上被反射，并由成像单元200捕捉并成像障碍物300所反射的图像的信息。该光源100可以是发射线形激光的激光器。成像单元200与光源100之间具有预定相对空间位置关系。本发明的成像单元200除了包括常规的图像传感器(可以是图5中的图像传感器201，在图3中因包裹于外壳之外而未示出)之外，还包括成像视场角调整组件202。该成像视场角调整组件202可以具备常规成像镜头的聚焦成像功能。除此之外，成像视场角调整组件202还可以被设置为压缩所述成像单元在特定方向上的成像视场角。由此，相应扩大压缩后视场角内的成像对象在图像传感器特定方向上所占据的成像宽度。由于成像宽度扩大，其在图像传感器所拍摄图像上所占据的像素也增多，从而能够为后续深度距离的计算提供更为丰富和精准的像素信息。

图4A和4B分别示出了现有技术和本发明对线形光成像的图像示例。光源(例如图1所示的光源10和图3所示的光源100)向被测空间投射线形光。在现有技术中，使用市售的例如水平方向视场角为90°垂直方向视场角为60°的成像单元对线形光遇到障碍物后的反射光进行成像，如图4A所示。而在本发明的实施例中，使用成像视场角调整组件202对成像单元垂直方向上的视场角进行压缩，例如，从60°压缩到30°。换句话说，将垂直方向30°视场角内的成像内容放置到原本用于60°视场角成像的图像传感器中成像，由此得到图4B。如图4B所示，相同的线形光在垂直方向上的成像线宽要比在图4A中更宽，占据的像素更多，因此能够提供更为丰富的距离信息。例如，在后续的重心确定中，能够相比于图4A的情况，更为准确的找出最亮的像素点作为重点。另外，在例如成像噪点等干扰存在时，由于成像线宽要比噪点宽的多，因此能够轻易地避免将噪点误判为障碍物反射光的情况。

应该理解的是，虽然图4A和4B中使用线形光为例，但本发明的测距方案适用于任何需要增强特定方向显示的结构光。但优选地，结构光是条状或线形光。在一个实施例中，结构光在第一方向上的投射角大于第二方向上的投射角，其中第一和第二方向相互垂直。相应地，成像视场角调整组件202压缩成像单元在第二方向(即，较窄方向)上的投射角。

如上所述，本发明的成像视场角调整组件202具备常规成像镜头的聚焦成像功能，以及压缩成像单元在特定方向上的成像视场角的双重功能。因此，在一个实施例中，成像视场角调整组件202可以包括光学透镜。在一个优选实施例中，成像视场角调整组件202可由光学透镜组成。一组经过恰当设计的光学透镜组合可以在实现常规成像镜头的聚焦成像功能的同时，实现对特定方向(例如，垂直方向)成像视场角的调整。图5示出了根据本发明一个实施例的成像单元的光路示意图。在本发明的一个实施例中，成像视场角调整组件202可以如图5所示由在光路上依次排序的一个凹透镜1和四个凸透镜2-5组成。优选地，四个凸透镜在光路上依次排序为一个弯月形凸透镜2、两个平凸透镜3-4和一个弯月形凸透镜5。由此，进入成像单元的反射光在水平方向畸变率大致不变的同时，垂直方向上的畸变率会提高，从而在图像传感器201上成像为垂直方向宽度更宽的结构光，从而方便对结构光在垂直方向上的精确定位，并避免成像噪点的干扰，由此提升测距准确度。在一个实施例中，在使用图5所示的成像视场角调整组件202替换常规成像镜头后，对线形光的成像效果可以从图4A变为图4B，由此通过提高垂直方向上的畸变率，改善由于线形光过窄而导致的深度信息获取不够准确和鲁棒的固有问题。虽然图5示出了在具有成像功能的同时具有压缩垂直方向上的成像视场角(并相应提升视场角内成像对象在图像传感器中所占据的像素数)功能的成像视场角调整组件202的一个具体实现，但本领域技术人员可以理解的是，也可以使用其他的光学元件和/或非光学元件的组合来实现对特定方向上成像视场角进行压缩的功能。

如图5所示，在一个实施例中，图像传感器201和成像视场角调整组件202之间还可以布置有滤光片203。滤光片203与投射结构光的光源相配合，用于滤除结构光所在波段之外的其他反射光的干扰。在一个实施例中，光源投射红外结构光。滤光片203则相应滤除结构光所在红外波段之外的其他光(例如，环境光)，由此排除环境光的干扰。

在另一个实施例中，成像视场角调整组件还可以对成像空间中不同距离的成像比例进行调整。由于成像宽度默认随距离增加而减小，因此成像视场角调整组件可以具有增大所述被测空间远端的障碍物的反射光在所述图像传感器上的成像比例的功能。

在一个实施例中，成像视场角调整组件可以是各部件之间(例如，各光学透镜之间)位置固定的一体化镜头。上述镜头与图像传感器(例如，CMOS传感器)集成为一个单独的组件。上述组件和光源可以固定在同一测量头基座内，例如，固定在同一个测量头外壳中。该外壳可以具有两个孔用于光源投射结构光和成像视场角调整组件对反射光的接收、会聚和调整。

如上图3所示，本发明的结构光测距装置还可以包括处理器400。处理器400与成像单元200相连接，用于根据图像传感器拍摄得到的图像计算障碍物的深度距离。优选地，处理器400与光源100也相连，用于控制光源的结构光投射。

在一个实施例中，处理器400可以根据成像单元和光源的相对空间位置关系和成像视场角调整组件的调整参数(例如，光学成像参数)，根据障碍物在图像传感器上的成像求取障碍物的深度距离。深度距离的计算可以是根据上述相对空间位置关系和调整参数实时计算的。但在一个优选实施例中，可以通过预先标定来降低深度距离求取时的计算量。

在将结构光测距装置投入进行实际测量之前，还可以对该装置进行标定。通过预定标定，可以得到包括成像位置与深度距离的对应关系的位置距离匹配表。该位置距离匹配表中的位置-距离匹配数据与上述相对空间位置关系和成像视场角调整组件的调整参数相关联。结构光测距装置可以存储该位置距离匹配表，并且在实际进行测距时，通过障碍物在图像传感器上的成像位置进行反向查表，就能够得到障碍物的相应深度距离，由此大幅提升实际测量中的计算量。

另外，虽然图4A和4B示出了在水平方向上无畸变，在垂直方向上无畸变或均匀畸变的成像效果，但在实际应用中，成像视场角调整组件的引入很可能会导致水平和/或垂直方向上的畸变，尤其是非线性畸变。虽然上述畸变可以通过例如物理或数字方式进行矫正，但物理矫正会增加结构成本与复杂性，数字矫正会增加计算量并降低响应时间。而通过预先标定，可以对位置-距离进行精确匹配的同时而无需真正考虑上述畸变。因此在后续的深度距离求取阶段，则可以跳过畸变矫正步骤，而直接通过查表来实现深度距离的准确获取。

另外，由于本发明通过压缩特定方向上的成像视场角而提升结构光在此方向上的成像宽度，例如，增加了线形光的成像线宽，因此相比于成像噪点，线形光的线宽更为明显。这样，处理器就能够更为准确地滤除成像噪点，从而提升测距装置的抗干扰能力。在一个实施例中，处理器400可以基于成像视场角调整组件的调整参数设置过滤参数，并使用所述过滤参数来滤除所述图像传感器的成像扰动。例如，由于引入了成像视场角调整组件而使得线形光线宽不小于5像素时，可以将过滤参数设为4像素，从而滤除例如占据4像素或以下的单独光点。

如上以参考图3-5描述了根据本发明的结构光测距装置及其优选实施例。相应地，图6示出了根据本发明一个实施例的结构光测距方法的流程图。

在步骤S610，向被测空间投射结构光。

在步骤S620，用与所述光源之间具有预定相对空间位置关系的成像单元对被所述被测空间内障碍物反射的结构光进行成像，所述反射的结构光经由所述成像视场角调整组件在所述图像传感器上成像，其中所述成像视场角调整组件被设置为压缩所述成像单元在特定方向上的成像视场角。

在步骤S630，根据所述相对空间位置关系和所述成像视场角调整组件的调整参数，从所述障碍物在所述图像传感器上的成像中求取所述障碍物的深度距离。

结构光优选是窄形光，甚至是线形光。成像视场角调整组件相应地压缩成像单元在线形光的线宽方向上的成像视场角。

上述测距方法还可以包括可选的标定步骤。在步骤S605，通过标定获取包括成像位置与深度距离的对应关系的位置距离匹配表，所述位置距离匹配表中的匹配数据与所述相对空间位置关系和所述成像视场角调整组件的调整参数相关联。相应地在步骤S630中，可以直接基于所述位置距离匹配表，根据所述障碍物在所述图像传感器上的成像位置查表得到所述障碍物的相应深度距离。

优选地，在求取深度距离之前，在步骤S625，还可以包括可选的过滤步骤。即，可以基于所述成像视场角调整组件的调整参数设置过滤参数；以及使用所述过滤参数来滤除所述图像传感器的成像扰动。

上文中已经参考附图详细描述了根据本发明的结构光测距装置和方法。以上描述的本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (12)

1.一种结构光测距装置，包括：

向被测空间投射结构光的光源，其中，所述结构光是线形光；

与所述光源之间具有预定的相对空间位置关系并且包括图像传感器和成像视场角调整组件的成像单元，被所述被测空间内障碍物反射的结构光经由所述成像视场角调整组件在所述图像传感器上成像，其中所述成像视场角调整组件被设置为在使得进入成像单元的反射光在水平方向畸变率大致不变的同时，垂直方向上的畸变率提高以压缩所述成像单元在所述垂直方向上的成像视场角，使得在所述图像传感器上成像为垂直方向宽度更宽的结构光；以及

连接至所述成像单元的处理器，所述处理器根据所述相对空间位置关系和所述成像视场角调整组件的调整参数，从所述障碍物在所述图像传感器上的成像中求取所述障碍物的深度距离。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述成像视场角调整组件包括光学透镜。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述成像视场角调整组件由在光路上依次排序的一个凹透镜和四个凸透镜组成。

4.如权利要求3所述的装置，其中，所述四个凸透镜在光路上依次排序为一个弯月形凸透镜、两个平凸透镜和一个弯月形凸透镜。

5.如权利要求1所述的装置，其中，所述图像传感器和所述成像视场角调整组件之间布置有滤光片。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述结构光在所述水平方向上的投射角大于所述垂直方向上的投射角。

7.如权利要求1所述的装置，其中，所述处理器基于预先标定得到的、包括成像位置与深度距离的对应关系的位置距离匹配表，根据所述障碍物在所述图像传感器上的成像位置查表得到所述障碍物的相应深度距离，其中所述位置距离匹配表中的匹配数据与所述相对空间位置关系和所述成像视场角调整组件的调整参数相关联。

8.如权利要求1所述的装置，其中，所述处理器基于所述成像视场角调整组件的调整参数设置过滤参数，并使用所述过滤参数来滤除所述图像传感器的成像扰动。

9.如权利要求1所述的装置，其中，所述成像视场角调整组件增大所述被测空间远端的障碍物的反射光在所述图像传感器上的成像比例。

10.一种结构光测距方法，包括：

向被测空间投射结构光，其中，所述结构光是线形光；

用与光源之间具有预定相对空间位置关系的成像单元对被所述被测空间内障碍物反射的结构光进行成像，所述反射的结构光经由成像视场角调整组件在图像传感器上成像，其中所述成像视场角调整组件被设置为在使得进入成像单元的反射光在水平方向畸变率大致不变的同时，垂直方向上的畸变率提高以压缩所述成像单元在所述垂直方向上的成像视场角，使得在所述图像传感器上成像为垂直方向宽度更宽的结构光；以及

根据所述相对空间位置关系和所述成像视场角调整组件的调整参数，从所述障碍物在所述图像传感器上的成像中求取所述障碍物的深度距离。

11.如权利要求10所述的方法，还包括：

通过标定获取包括成像位置与深度距离的对应关系的位置距离匹配表，所述位置距离匹配表中的匹配数据与所述相对空间位置关系和所述成像视场角调整组件的调整参数相关联，并且

其中，根据所述相对空间位置关系和所述成像视场角调整组件的调整参数，从所述障碍物在所述图像传感器上的成像中求取所述障碍物的深度距离包括：

基于所述位置距离匹配表，根据所述障碍物在所述图像传感器上的成像位置查表得到所述障碍物的相应深度距离。

12.如权利要求10所述的方法，包括：

基于所述成像视场角调整组件的调整参数设置过滤参数；以及

使用所述过滤参数来滤除所述图像传感器的成像扰动。