ES2512965B2 - Sistema y método para escanear una superficie y programa de ordenador que implementa el método - Google Patents
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Abstract
Sistema y método para escanear una superficie y programa de ordenador que implementa el método.#El sistema comprende:- medios para iluminar, con un haz de luz (Be), diferentes sub-áreas (Si) de una superficie (S), de manera alternada, y#-- medios para recibir y detectar las porciones de luz reflejada (Br) en las mismas, que incluyen:#- uno o más detectores de luz (D); y#- unos medios de redirección de luz que incluyen una cuadrícula (Qr) de elementos de redirección de luz (GM), que reciben las porciones de luz reflejada (Br) y las redirigen, de manera secuencial, hacia el detector o detectores de luz (D).#El método está adaptado para realizar las funciones llevadas a cabo por el sistema de la invención.#El programa de ordenador implementa el método de la invención.
Description
que implementa el método
Sector de la lécnica
La presente invención concierne en general, en un primer aspecto, a un sistema para escanear una superfid e, que comprende medios para iluminar diferentes regiones de una superficie a escanear y medios para recibir y detectar
las porciones de luz reflejada en las mismas que incluyen uno o más detectores
de luz, y más en particular a un sistema que permite utilizar la resolución espacial
total del detector o detectores de luz para cada una de las regiones de la
superficie a escanear.
Un segundo aspecto de la invención concierne a un método adaptado para
realizar las funciones llevadas a cabo por el sistema del primer aspecto.
Un tercer aspecto de la invención concierne a un programa de ordenador
que implementa el método del segundo aspecto.
Eslado de la técnica anterior
Los sistemas de medida TOF (acrónimo de "Time Of Flight": Tiempo de vuelo), LlDAR (acrónimo de "Light detE>ction and ranging") o LADAR (acrónimo de "Laser detection and ranging") son sistlemas que permiten la medida de distancias mediante la utilización de una fuente dt~ luz que ilumina los puntos bajo medida .
La dislancia medible en sistemas TOF eslá influenciada por algunos faclores no controlados que dependen del entorno y no de la técnica de TOF, como por ejemplo la intensidad de la iluminación de fondo, las condiciones meteorológicas (niebla, polvo, lluvia, elc.) o la reflectancia del objeto.
Por otro lado, hay airas aspeclos que son directamente dependientes de la tecnología y la arquitectura del dispositivo de TOF y tienen un papel principal en la determinación de la distancia medible de cada sistema. De entre dichos aspectos, 10$ más significativos podrían ser la potencia de la fuente de iluminación, la divergencia del haz de luz, la eficiencioa del sistema de escaneado de puntos, la sensibilidad de los foto-detectores, la atenuación del sistema óptico o la calidad del filtrado de la luz de fondo.
Los principios físicos de los sistemas TOF, LlDAR o LADAR constatan que, expresado de forma muy genérica, la c,apacidad de medir un punto ubicado a una cierta distancia está relacionada con la capacidad de iluminarlo con potencia óptica suficiente para detectar el haz de luz reflejada en el mismo en un detector de luz. Este principio tiene una influencia determinante en la distancia medible del dispositivo y sobre el se han diseñado diferentes técnicas de escaneo para realizar mediciones de imágenes TOF. Existen dispositivos TOF que pueden medir distancias de hasta docenas de kilómetros y otros se limitan a unos pocos metros. Normalmente, el haz iluminador en los sistemas de larga distancia tiene poca divergencia. Estos suelen utilizar haces de luz láser altamente colimados con una divergencia y una sección de haz muy reducida. Con esto se consigue que la concentración de energía por unidad de superficie en el objeto sea mucho mayor si se compara con los sistemas que utilizan fuentes de luz divergentes. Los sistemas que utilizan fuentes de luz divergentes iluminan áreas mayores para medir de forma simultánea un conjunto de puntos en lugar de uno solo.
Para realizar mediciones de imagen tridimensional mediante técnicas de TOF, LlDAR o LADAR, es necesario medir un conjunto de puntos que conformen una imagen tridimensional (o nube de puntos) y para ello es necesario iluminar la superficie que corresponde a la imagen que se pretende medir. Las tecnologías que permiten medir de forma controlada un conjunto de puntos para formar imágenes tridimensionales se dividen b.ásicamente en dos:
- -
- Sistemas basados en matrices de detectores.
Los sistemas de escaneado S€,cuencial forman la imagen 3D midiendo puntos únicos de forma secuencial. La secuencia de iluminación es implementada
normalmente mediante sistemas ópticos tales como espejos galvanométricos,
MEMS, deflectores acusto-ópticos, etc .... Dada una potencia óptica concreta, los
sistemas de escaneo secuencial concentran dicha potencia en un punto de
tamaño reducido consiguiendo medir distancias mayores en comparación con los
sistemas que expanden el haz. La colimación y el pequeño tamaño del punto iluminado hace que la concentración de energía por unidad de superficie sea mas
elevada que en el caso de fuentes de luz divergentes. Esta alta concentración de energia por unidad de superficie hace que la luz reflejada por el objeto sea mayor y en consecuencia, el detector que recibe la luz procedente de ese punto también
reciba una cantidad de luz mayor. Tendiendo en cuenta que uno de los factores
principales que fija la limitación de capacidad de medida en distancia en sistemas LlOAR es la capacidad de detectar haces ópticos reflejadas de baja potencia, el
efecto de concentración de energía de los sistemas de escaneo secuencial consigue maximizar la distancia medilble gracias al aprovechamiento de toda la
potencia óptica disponible para un solo punto de medida. A mayor concentración de energia por unidad de superficie, más flujo de energia es reflejado en el punto de medida y por consiguiente, más fácil es la detección. Si bien los sistemas de
escaneo secuencial permiten obtener una alta resolución espacial en la imagen tridimensional, al realizarse la medida punto a punto, hace que para conseguir
imágenes de alta resolución espacial el tiempo de medida total sea elevado. Esto limita la cantidad de imágenes por segundo que pueden medir. A nivel de
ejemplo, se pueden citar equipos comerciales basados en esta tecnologia como los escáneres láser de Riegl (http://www.riegl.com/), MOL (http://www.mdllaser.com) o Faro (http://www.faro.com).
Por otro lado, existen los siste~mas basados en matrices de detectores.
Estos utilizan un conjunto de detectore,s dispuestos en cuadricula en la que cada uno de ellos tiene capacidad de med,da TOF, ya sea basada en TOF pulsado, TOF-FMCW o TOF-"Range Gated". En estos sistemas, los puntos de la imagen
tridimensional son medidos de forma simultánea a través de un conjunto de
detectores. Es decir, de forma sincronizada dichos detectores miden un conjunto de valores de distancia equivalente al número de detectores de la matriz y, a la vez, ese conjunto de puntos medidos conforma una imagen tridimensional. La
principal ventaja de estos sistemas reside en que se realizan multitud de medidas de forma simultánea permitiendo medir una imagen completa a través de una
única acción de medida TOF. Por ejernplo, en el caso de TOF pulsado, se podrá medir una imagen tridimensional completa a través de un solo pulso de láser (no
obstante, algunos equipos utilizan mas de un pulso para incrementar la calidad de
la imagen a través de integración de medida sucesivas).
matriz de detectores (de forma parcial o total, es decir, utilizando la totalidad de la matriz o solo una parte de ella) implica iluminar de forma simultanea todos esos puntos en el objeto que serán medidos por el grupo de detectores. Esto implica que la potencia óptica se divide entre. todos los puntos. Por lo tanto, dada una fuente de iluminación de una energía concreta , la concentración de energia por unidad de superficie será repartida entre todos los puntos de medida haciendo que la energía reflejada por cada punto individual sea inversamente proporcional al número de puntos medidos. A nivE~1 de ejemplo se puede citar los sistemas
"Flash LADAR" de la compañia Advanced Scientific Concepts (http://www.advancedscientificconcepts.comi). las cámaras TOF pulsadas de Odas Imaging (http://odos-imaging.ccr!lL), así como la gran mayorla de cámaras TOF basadas en medida TOF-FMCW (Time-of-Flight Frequency Modulated Continuous Waveform), por ejemplo las cámaras de Mesa Imaging (www.mesaimaging.ch), PMD (www.pmdtec.com) () SoftKinetic (http://www.softkinetic.com).
La principal ventaja de este sistema respecto a Jos sistemas de escaneo secuencial reside en que la medida dE:! puntos se hace en paralelo consiguiendo medir un número elevado de puntos para cada acción de medida TOF. En cambio, los sistemas de escaneo secuencial realizan una única medida por cada acción de medida TOF. De forma genérica se puede afirmar que, considerando una fuente de iluminación de potencii' determinada y compartida entre los dos sistemas, la cantidad de imágenes tridimensionales medidas será mayor para los sistemas basados en matrices de dE!tectores que en los sistemas de medida secuencial gracias al efecto de medidas en paralelo. No obstante, dado que la energia de iluminación es finita y, en este caso comparativo, igual entre los dos sistemas, la distancia medida será mayor en el sistema de escaneo secuencial que en el de matriz de detectores dado que la energía utilizada para el punto de media será mayor debido a que toda la potencia de la fuente se concentra en un mismo punto de media.
En un punto intennedio, existen equipos que están compuestos de
conjuntos de detectores que miden de, fonma simultánea y que a la vez, realizan
un escaneo secuencial. Esta técnica nonnalmente se utiliza para medir superficies de mayor tamaño. A modo de ejemplo, se puede destacar el sistema de la compañia Velodyne Lidar (http://velodynelidar.com). Este sistema realiza medidas simultáneas a través de un conjunto de detectores a la vez que un cabezal mecánico giratorio escanea circulannente en un angula de 3600 para conseguir un campo de visión circular. Se puede considerar que este tipo de sistemas concentran características de los dos métodos genéricos descritos anterionnente ya que son capaces de medir un conjunto de puntos de forma simultanea a la vez que realiza un escaneado secuencial para medir la totalidad de los puntos que conforman la imagen tridimensional final.
En la mayoría de los sistem:as basados en matriz de detectores, la resolución espacial de la imagen tridimensional esta fijada por el numero de detectores de la matriz de detectores. No obstante, existe un sistema que permite obtener una resolución espacial en la imagen mayor a la de la matriz de detectores . Dicho sistema TOF se encuentra descrito en la solicitud internacional W02012123809A1 , y penmite aumentar la resolución espacial de la imagen tridimensional gracias a la inclusión y utilización de una disposición en cuadricula de interruptores de luz o matriz de interruptores de luz (tal como un modulador espacial de luz basado en micro espejos, como es el caso de un DMD: "Digital
Micromirror Device": Dispositivo digital de micro espejos), en un número mayor que detectores de luz, que redireccJona secuencialmente hacia la matriz de detectores de luz las diferentes porc'iones de luz reflejadas en la superficie a escanear. Los inventores se refieren a esa tecnología como "Escaneo Digital" y se
considera que esta ubicada en un paso intenmedio entre los sistemas basados en
matriz de detectores y escaneo secuencial ya que implementa los dos métodos.
No obstante, dicho escaneo es controlo.do de fonma digital y no intervienen partes móviles.
Uno de los usos del sislema descrito en la solicitud internacional W02012123809A 1 es la medida de, imágenes tridimensionales mediante la
técnica TOF o tiempo de vuelo. Una fuente de luz ilumina la superficie que se
requiere medir. El DMD recibe dicho haz a través de un grupo óptico y de forma
secuencial redirige el haz recibido hacia un detector o matriz de detectores que
tienen capacidad de medida TOF. Dado a que el DMD está ópticamente conjugado COn el objeto bajo medida, e'ste es capaz de recibir de forma controlada
la luz que proviene de cada punto de medida. Cada interruptor de luz esta
conjugado con un punto de la superficie que se va a medir, por lo tanto, cada interruptor de luz es capaz de rechazar o dirigir dicha porción del haz total al sistema de detectores. Dado que el DMD o matriz de interruptores y el detector o
matriz de detectores están ópticamente conjugados, el DMD es capaz de dirigir
dichas porciones del haz, que a la VElZ corresponden a la luz reflejada por los puntos del objeto que se quieren medir, al conjunto de detectores de forma controlada. A través de un proceso secuencial, el DMD irá recibiendo y dirigiendo la luz reflejada en el objeto hacia el detector o grupo de detectores de manera que, el DMD enviara de forma simultanea tantas porciones del haz como detectores hay en dicha matriz de dEltectores TOF. Es decir, se realizaran un número de medidas TOF simultaneas equivalente el número de detectores. El
proceso secuencial de medida consistB en dirigir de forma controlada la totalidad
de los puntos de la superficie que el DMD esta ópticamente configurado para
recibir. La imagen tridimensional resultante tendrá tantos puntos medidos como
interruptores de luz tiene el DMD. Considerando que el DMD tiene un número mucho mayor de interruptores de luz que la matriz de detectores, la imagen
resultante tendrá una resolución espélcial mayor que el número de detectores. Esta caracteristica hace que a través de un grupo de detectores reducido, y a su vez técnicamente menos complejo y más económico que uno con gran cantidad
de detectores, se puedan medir imágenes TOF de alta resolución espacial y con
funcionalidades anadidas.
Una de las características de !lste sistema es que para cada acción de
medida TOF es necesario iluminar la totalidad de la superficie que se pretende
medir. Se entiende como la totalidad de la superficie como todo el conjunto de
puntos que conformarán la imagen tridimensional que resultará de la ejecución del
proceso secuencial de medida. Tal y como sucede en los sistemas basados en
matrices de detectores descritos anteriormente, este sistema ilumina la totalidad
de la superficie a escanear haciendo q:ue la potencia óptica disponible se reparta entre todos los puntos de la superficie en cada acción de medida TOF y solo un grupo reducido de puntos (eq:uivalente al numero de detectores) serán medidos. Cuantos más detectores contiene la. matriz de detectores, más energla de
iluminación es aprovechada dado que el número de puntos medidos simultáneamente es mayor y el núme!ro de puntos rechazados es menor. Esto
repercute en la energía lumínica que recibe cada punto de la superficie y, por consiguiente, perjudica la distancia de detección dado que la energía de
iluminación es dividida entre todos los puntos de la superficie.
Los sistemas TOF de medición de imagen tridimensional tienen multitud de aplicaciones y mercados donde estos sistemas son de utilidad. Solo a nivel de ejemplo, una aplicación de interés par,a la que resultaría interesante utilizar tales sistemas pertenece al campo de la automoción, en particular de los sistemas de supervisión, detección y reconocimienlto de objetos del entorno de un automóvil con el fin de obtener información del espacio donde este transita con fines de seguridad, navegación o inteligencia artificial en la conducción .
Para tal aplicación, existen diversos requerimientos de rendimiento fundamentales que el sistema debe sa'lisfacer para garantizar su utilidad en dicho contexto. A continuación se especifican algunos de ellos solo a modo de ejemplo:
Funcionamiento en un entorno exterior en condiciones de gran cantidad
de iluminación de fondo y luz diurna.
Distancia medible hasta 100 metros.
Ángulo de visión: horizontal ±20', vertical ±5'.
Medida de imágenes a tiempo real (>1 OHz).
Considerando una distancia de 100 m con dichos ángulOS de visión, la
superficie a medir tiene de forma aproximada unos 750m2. Un sistema TOF
- basado en matriz de detectores deberá iluminar tal superficie de forma completa
- en cada acción de medida TOF. Teniendo en cuenta los parámetros radiometritos
- que intervienen en el proceso de iluminación, reflexión y detección de dicho haz,
- considerando también la cantidad dE! luz de fondo y los parámetros de los
- S
- detectores, se llega a la conclusión die que la energía de iluminación necesaria
- para poder ser detectada en la matriz de detectores es potencialmente muy
- elevada . Un sistema de escaneo secuencial requeriría menos energía de
- iluminación pero su rendimiento en cuanto a velocidad de medida también seria
- limitado pudiendo presentar limitaciones en medición de objetos móviles.
- 10
- Adicionalmente, la ley del cuadrado inverso establece que la intensidad
- luminosa en una superficie que recib4a: luz desde una fuente de luz puntual es
- inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre la fuente de luz y la
- superficie y proporcional al coseno entre el haz de luz y la normal a la superficie.
- Esto significa que la intensidad de iluminación sobre un area determinada
- 15
- decrecerá con la distancia según un factor cuadrático. Cuando una superficie que
- es iluminada con una fuente de luz se aleja de la fuente de luz, la intensidad de
- iluminación de la supeñicie disminuye, disminución la cual se produce mucho más
- rápido que como se aleja la superficie de la fuente de luz. Por ejemplo, si la
- iluminación sobre una superficie es de 40 lux a una distancia de 0,5 m de la
- 20
- fuente de luz, la iluminación decrece hasta 10 lux a una distancia de 1 m. Este
- fenómeno influye de forma determinanfte en la distancia medible en un sistema de
- TOF. En los sistemas basados en matrices de detectores, este efecto puede ser
- aceptable para distancias cortas (10 a 15 m.) donde la intensidad de iluminación
- por m2 permanece alta, pero cuando "e requiere medición de distancias medio
- 25
- largas (mayores de 15 m.) y grandes áreas, esta fenómeno se convierte en un
- problema, ya que las fuentes de ilumin;.ción tienen una energla limitada. Según el
- conocimiento de los presentes inventores, este es un factor realmente limitativo
- en términos de distancia medida en los sistemas basados en matrices de
- detectores.
- 30
- Por ello, y en base a una serie de estudios basados en simulaciones de
- diferentes modelos radiométricos realizados por los presentes inventores, puede
- decirse que la utilización de los sistemas basados en matrices de detectores para
aplicaciones en el campo de la automoción , donde se requieren mediciones de al
menos 100 metros, resulta claramente, inviable, debido que ello implicaria el uso
de una fuente láser de una potencia enorme, las cuales son muy caras, tienen un
alto consumo y son incompatibles con las reglas de seguridad para los ojos. Las
cámaras TOF comerciales mencionadas anteriormente trabajan bien para ciertas
aplicaciones (entornos interiores y para rangos de distancias cortas) pero
presentan serias limitaciones en entornos exteriores con luz diurna y para distancias medias-largas. Debe hacerse notar que la mayoría de ellas utilizan LEDs como fuente de luz cuya potencia es sustancialmente menor en comparación de las fuentes láser usadas en los sistemas de escaneo secuencial.
Lo anterior es extrapolable a muchos otros campos de aplicación diferentes al de la automoción, todos ellos bajo la comentada influencia de la ley del cuadrado inverso, aunque cada campo de aplicación tendrá sus restricciones particulares relativas a entorno de funcionamiento, distancias de medida, ángulos de visión , etc.
En el presente, según el conoci'miento de los inventores, no existe ningún
dispositivo TOF que cumpla todos los requerimientos aquí comentados para ser
aplicado de forma masiva en el campo de la automoción cumpliendo incluso requerimientos de precio.
Para tal aplicación en el campo de la automoción, y para muchas otras aplicaciones de interés, resultaría interesante proporcionar un sistema que combinase las ventajas de los dos métodos de generación de imágenes 3D en TOF, las del escaneo secuencial y las de los sistemas basados en matrices de detectores. Su objetivo seria realizar medidas sobre objetos situados a una distancia mayor que la cubierta por los sistemas basados en matrices de detectores, con una buena resolución espacial, una velocidad de medida mayor que los sistemas de escaneo secuenc:ial y, utilizando fuentes de luz de potencia reducida .
Por la solicitud US20120249999A 1 se conoce uno de tales sistemas combinados, ya que ésta propone cornbinar un sistema "Flash LADAR" con uno de escaneado láser, con el fin de utilizar láseres de menor potencia si no se
requiere medir el campo de visión completo. En este sistema , el componente
"Flash LADAR" mide la distancia al objeto iluminado mediante TOF y el sistema
de escaneo ilumina de forma selectiva dicho objeto. Los inventores describen una serie de aplicaciones como la detección y seguimiento de objetos estáticos ylo móviles, sistemas para navegación o anticolisión basados siempre en la
tecnología "Flash LADAR" patentada también por los mismos inventores.
Mediante el sistema propuesto por US20120249999A 1 se proyecta un haz de luz láser sobre una sub-área (objeto) a detectar contenido dentro del campo de
visión , con una divergencia determinada para que se produzca una medida
simultánea de todo dicha sub-área , que incluya uno solo o un pequeño grupo de
píxeles, es decir, que se utiliza una divergencia mayor que la de los sistemas de escaneo secuencial y menor que la de los sistemas basados en matriz de
detectores.
Para dirigir el láser hacia la sub··área a escanear se utiliza un espejo de un sistema galvanométrico (por ejemplo til'o MEMs), por lo que puede decirse que el sistema de US20120249999A 1 es realmente una combinación de los dos sistemas TOF descrttos anteriormente.
Se indica que en el sistema propuesto en US20120249999A 1, el haz de iluminación puede ser variado para que ilumine la totalidad del campo de visión del sistema Flash LADAR (todos los I'ixeles de la matriz de detectores) o solo parcialmente (uno o varios pixeles de la matriz de detectores) dependiendo de la aplicación.
En el sistema de US20120249999A1 la detección es realizada con una matriz de detectores de luz cuya resolución total está adaptada al área total de la
superficie o escena a escanear, por lo que cuando iluminan la mencionada subárea se obtiene una resolución espacial menor, es decir, si solamente iluminan el 10% del área total, solamente se iluminarán, es decir, recibirán luz reflejada, un
10% de los plxeles de la matriz de detectores de luz, por lo que se obtendrá una
resolución espacial de solamente el 10% de la resolución total de la matriz, lo cual
hace que tal sistema ofrezca unos r ..sultados bastante pobres en términos de resolución espacial. Dicho de otra fonma, los detectores de la matriz que están ópticamente conjugados con los pixeles de las sub-áreas que no están siendo iluminadas no podrán ser empleados para la medida TOF, haciendo que esta
infrautilización del conjunto de detectores de la matriz repercuta negativamente en
la resolución espacial de la imagen TOF en comparación con el caso de utilizar una fuente de luz que ilumina completamente el campo de visión de la matriz de detectores donde si que la totalidad dE! los detectores es empleada. Sin embargo la solución propuesta en este antecede.ntes es de gran complejidad.
La presente invención propone una alternativa al estado de la técnica con el fin de superar las lagunas halladas e,n el mismo, y en particular que proporcione una solución a los problemas de los que adolece el sistema propuesto en US20120249999A 1, en términos dIO resolución espacial y reduciendo su complejidad .
y la solución propuesta por la invención frente al sistema TOF descrito en la solicitud WO 2012123809, presenta la ventaja de no precisar iluminar la pantalla completa sino únicamente una región objeto, donde el DMD recogerá energla, lo cual implica un uso más eficiente de la energla, permitiendo además alcanzar mayores distancias con un I,~ser menos potente (más económico, más ligero).
Además según la invención únic:amente se activa una parte del DMD con lo que se reduce significativamente la radiación de fondo.
Explicación de la invención
Para resolver los problemas anteriormente citados, la presente invención concierne, en un primer aspecto, a un sistema para escanear una superficie, que comprende:
- -
- unos medios de iluminación de, una superficie a escanear (S), la cual es al
unos medios de recepción y de,tección para recibir y detectar una porción de luz reflejada por dicha superfici" (S), comprendiendo dichos medios de recepción y detección unos medios de redirección de luz que incluyen una pluralidad de elementos de redirección de luz (GM) dispuestos en cuadrícula (Qr) en un número mayor que el númem de unos detectores de luz (D), que
comprenden al menos un detector, y p,sra recibir dichas porciones de luz reflejada
cada una de ellas en una respectiva sub-cuadrícula (SQr) de dicha cuadricula (Qr);
en donde dichos medios de redirección de luz están configurados y dispuestos
para redirigir, de manera secuencial, cada una de las porciones de luz reflejada
(Br) recibida en cada una de las sub-cuadriculas (SQr) hacia dicho detector de luz (D), que es al menos uno.
A diferencia de las propuestas conocidas, el sistema propuesto por el
primer aspecto de la invención se caracteriza porque comprende además unos
medios de dirección de luz (Me) a80ciados a dichos medios de iluminación configurados (por ejemplo mediante un elemento móvil) para dirigir al menos un haz de luz (Be) para que ilumine difere,ntes sub-áreas (Si) del área que constituye dicha superficie a escanear (S), de ma,nera alternada, y porque dichos medios de recepción y detección están configurados y dispuestos para recibir y detectar, de manera alternada, unas correspondientes porciones de luz (Br), de dicho haz de luz (Be), reflejadas en cada una d" dichas diferentes sub-areas (Si) de la
superficie a escanear (8).
pluralidad de detectores de luz, incluyElndo a dicho detector de luz, dispuestos en
cuadrícula, estando los medios de redirección de luz configurados y dispuestos para redirigir, de manera secuencial, cada una de las porciones de luz reflejada
recibida en cada una de las sub-cuadrículas de elementos de redirección de luz hacia los detectores de luz dispuestos en cuadrícula.
Para otro ejemplo de realizaciün , la pluralidad de detectores de luz son unos detectores discretos que no eSllán dispuestos en cuadricula, es decir no forman una cuadrícula uniforme. Sirva la descripción siguiente hecha (en este y en apartados subsiguientes) con respecto a la cuadrícula de detectores de luz también como válida para este ejemplo de realización para el que éstos no forman una cuadrícula uniforme.
De acuerdo con un ejemplo de r,ealización, los medios de redirección de luz comprenden como mínimo un elemenllo reflectante dispuesto entre la cuadrícula
de elementos de redirección de luz y el delector de luz o la cuadricula de
detectores de luz, que es desplazable para llevar a cabo dicha redirección secuencial de cada una de las porciones de luz reflejada recibida en cada una de las sub-cuadriculas hacia el detector de luz o los detectores de luz dispuestos en
Para un ejemplo de realización preferido, los medios de dirección de luz
Con el fin de llevar a cabo la mencionada dirección alternada del haz de
como mínimo un dispositivo reflectante y/o deflectante, que es desplazable, dispuesto entre el haz de luz y la superficie a escanear.
Para un ejemplo de realización, el número de elementos de redirección de luz de cada una de las sub-cuadriculas es igual al número de detectores de luz.
En cambio, para otro ejemplo de realización, en este caso preferido ya que permite aumentar aún más la resolución espacial de la imagen tridimensional, el número de elementos de redirección dE:! luz de cada una de las sub-cuadriculas es superior al número de detectores de luz, y el sistema comprende unos medios de control asociados a los medios de redirección de luz para llevar a cabo la redirección de cada una de las porciones de luz reflejada recibida en cada una de las sub-cuadrículas hacia los detectores de luz, redirigiendo sub-porciones de cada porción de luz reflejada, de manera secuencial, hacia el detector o detectores de luz, mediante el control independiente de correspondientes subgrupos de elementos de redirección de luz de cada sub-cuadricula.
detección comprenden solamente un detector de luz, por lo que cada subcuadrícula de elementos de redirección de luz incluye, para una primera variante,
solamente un elemento de redirección de luz que redirecciona la porción de luz
reflejada recibida haca el detector ele luz único, y, para otra variante más
preferida, cada sub-cuadricula incluye varios elementos de redirección de luz, cada uno de los cuales redirecciona hacia el detector de luz único, de manera
secuencial, una correspondiente sub-porción de la porción de luz reflejada
recibida en la sub-cuadrícula.
El sistema propuesto por el primer aspecto de la invención comprende,
según un ejemplo de realización , unos medios de control asociados a los medios
de dirección de luz y a los medios de ,,!dirección de luz para llevar a cabo tanto la dirección del haz de luz hacia las difere,ntes sub-áreas de la superficie a escanear como la redirección de cada una de, las porciones de luz reflejada hacia el
detector o detectores de luz, de manera sincronizada.
Según una realización, cada ele!mento de redirección de luz esta formado por un número variable de microelementos de redirección de luz.
Para un ejemplo de realización, la cuadrícula de elementos de redirección
de luz es una cuadricula de interruptores de luz, y para otros ejemplos de
realización la cuadrícula de elementos de redirección de luz comprende un
modulador espacial de luz basado en micro espejos, una pantalla de cristal liquido
o unos espejos deformables.
Para un ejemplo de realización preferido, el sistema del primer aspecto de la invención es particularmente aplicable a la realización de medidas TOF, por lo que comprende, en asociación o como parte de los medios de recepción y detección, unos medios de medida par.! medir la distancia entre el sistema y cada punto de la superficie a escanear mediante la determinación del tiempo de vuelo, obteniéndose asi un sistema hibrido o intermedio entre los sistemas de escaneado secuencial y los basados en matrices de detectores que aprovecha las ventajas, en cuanto a concentración del haz, de los primeros, y la toma de medidas en paralela de los segundos. La uniformidad espacial de los puntos de la imagen TOF medida es garantizada por la cuadricula de elementos de redirección de luz o cuadricula de interruptores de luz, que en un ejemplo de realización preferido, es un DMD de Texas Instruments u otra clase de modulador espacial de
luz basado en micro espejos.
Para otros ejemplos de realiza,ción, el sistema del primer aspecto de la
invención esta aplicado a la realización de otra clase de medidas, tales como de
intensidad de luz, de color o de conteo de fotones.
Los mencionados medios de mlsdida estan configurados para obtener una
imagen tridimensional de reconstrucción topográfica (nube de puntos) de la
superficie a escanear, de acuerdo con un ejemplo de realización.
Como mínimo los elementos de redirección de luz y/o el mencionado
elemento reflectante y/o el dispositivo reflectante y/o deflectante están
implementados, según un ejemplo ele realización, mediante sistemas micro
electromecánicos (MEMs).
Según un ejemplo de realización, el sistema propuesto por el primer aspecto de la invención constituye o forma parte de un sistema de medida de
espacio tridimensional que, para una variante preferida esta aplicado en el campo
de la automoción para la detección y 'Seguimiento de objetos y obstáculos, tales como otros vehiculos o peatones y, ventajosamente, para la navegación automática o supervisada de vehiculos
Otras aplicaciones de interés dE>l sistema propuesto por el primer aspecto
de la invención son las incluidas en la soiguiente lista, no exhaustiva:
-Video vigilancia inteligente.
-Control de zonas fronlerizas.
- -
- Visión tridimensional en sistem,3s de seguridad.
-Vehiculos auto-guiados.
-Video multimedia 3D.
-Detección y seguimiento de objetos.
-Asistencia y seguridad en la conducción.
-Sistemas de transporte intelige,ntes.
-Detección bajo follaje.
- -
- Mapeado.
- -
- Visión artificial en robótica.
Un segundo aspecto de la invención concierne a un método para escanear una superficie, que comprende las siguientes etapas:
- -
- iluminar una superficie a escanear (S), la cual es al menos en parte reflectante;
recibir una porción de luz reflejada en una respectiva sub-cuadrícula (SOr
de una cuadricula (Qr) en la que se encuentran dispuestos una pluralidad de elementos de redirección de luz (GM), en un número mayor que un número de
detectores de luz (D), que son al menos uno; y
- -
- redirigir, de manera secuencial, cada una de las porciones de luz reflejada recibidas en cada una de dichas sub-cuadrículas (SOr) hacia dichos detectores de luz (D), que son al menos uno.
propuesto por el segundo aspecto de la invención se caracteriza porque dicha etapa de iluminar comprende proyectar sobre dicha superficie a escanear (S) , al
menos un haz de luz (Be) con una divergencia determinada para iluminar una
sub-área (Si) del área que constituye dicha superficie a escanear (S), dirigiendo dicho haz, para que ilumine diferentes. sub-áreas (Si) de la superficie a escanear (S), de manera alternada; y porque comprende además:
recibir y detectar en dicho al menos un detector de luz (D), de manera alternada, correspondientes porciones de luz (Br), de dicho haz de luz (Be), reflejadas en cada una de dichas diferentes sub-áreas (Si) de la superficie a escanear (S) y redirigidas desde cada una de dichas sub-cuadriculas (SQr) en donde se han recibido.
De acuerdo con un ejemplo dEl realización , el método propuesto por el
segundo aspecto de la invención comprende redirigir, de manera secuencial, cada
una de las porciones de luz reflejada ",cibida en cada una de las sub-cuadriculas de elementos de redirección de luz hacia una pluralidad de detectores de luz,
incluyendo a dicho detector de luz, dispuestos en cuadrícula.
El método propuesto por el seglundo aspecto de la invención comprende, según un ejemplo de realización preferido, llevar a cabo el escaneado de la superficie a escanear utilizando el sistema del primer aspecto de la invención.
Según otro ejemplo de realización, el método del segundo aspecto de la invención comprende determinar y variar el grado de la divergencia del haz de luz ylo variar el número de elementos de redirección de luz de cada sub-cuadrícula, de manera automática ylo bajo indicación de un usuario ylo en función de una serie de señales de entrada locales y/o remotas y/o provenientes de detectores internos y/o externos, para aumentar la distancia de emisión, con el fin de detectar
una superficie a mayor distancia , ylo la velocidad de escaneado, sacrificando resolución espacial, o para aumentar la resolución espacial, sacrificando potencia óptica recibida, con el fin de escanear Gon mayor precisión un objeto de interés.
Según un ejemplo de realización, el método comprende llevar a cabo la variación del grado de la divergencia del haz de luz y/o del número de elementos de redirección de luz de cada sub-cuadrícuJa, sobre la marcha, en función de las circunstancias de funcionamiento y/o del entorno ylo de unas detecciones de objetos realizadas.
El método del segundo aspecto de la invención comprende, de acuerdo a
una realización , variar el número de E!Jementos de redirección de luz de la subcuadrícula o sub-cuadriculas de elementos de redirección de luz donde se ha recibido la luz reflejada en un objeto de'tectado.
Al mismo tiempo, el método propuesto por el segundo aspecto de la
invención, para un ejemplo de reali.zación, comprende utilizar algoritmos de
detección y seguimiento de objetos fijos y/o móviles para el control de la
secuencia de escaneado y la determinación de las sub-áreas a escanear como
zonas ocupadas o a ocupar por uno o más objetos de interés, implementando las secuencias de redirección de porcione:; del haz reflejado según dichos algoritmos para implementar funciones de detección y seguimiento de objetos fijos y/o móviles.
Para tal fin, el método comprende, según una variante de dicho ejemplo de realización, implementar algoritmos de predicción de movimientos (ej.: detección y predicción de trayectorias, etc ... ), así como utilizar unas imágenes captadas por una cámara 20 para condicionar la ejecución de los algoritmos de detección y seguimiento de objetos.
Un tercer aspecto de la invención concierne a un programa de ordenador que incluye instrucciones de programa ejecutables en un ordenador para implementar al menos parte de las "tapas del método del segundo aspecto, incluyendo el análisis de las señales de salida de los detectores de luz, y la variación , mediante la generación de unas correspondientes señales de control, del grado de divergencia del haz de IU2: y del número de elementos de redirección de luz activos de cada sub-cuadricula.
Breve descripción de los dibujos
Las anteriores y otras ventajas y características se comprenderán más
plenamente a partir de la siguiente d,escripción detallada de unos ejemplos de
realización con referencia a los dibujos adjuntos, que deben tomarse a tílulo ilustrativo y no limitativo, en los que:
la Fig. 1 ilustra, de manera esquemática, a parte del sistema propuesto por el primer aspecto de la invención, para un ejemplo de realización;
la Fig. 2 muestra a parte de los elementos del sistema propuesto por el
primer aspecto de la invención en unal situación de escaneado de una sub-área
de la superficie total a escanear, para un ejemplo de realización;
la Fig. 3 muestra los mismos elementos ilustrados en la Fig. 2, pero para una situación en que se está escaneando otra sub-área de la superficie total a escanear, para lo cual el elemento refledante Mr se ha desplazado para mantener la conjugación óptica con la matriz de detectores de luz Qd;
la Fig. 4 es otra vista análoga a la de las Figs. 2 y 3 para una situación en
la Fig.5 es una vista análoga a la Fig. 2, pero para otro ejemplo de
realización para el que el sistema comprende un solo detector de luz.
la Fig. 6 es un diagrama de flujos que representa una implementación del
método propuesto por el segundo aspecto de la invención, para un ejemplo de
realización.
Descripción detallada de unos ejemplos de realización
En la Fig. 1 se ilustra parte del sislema propuesto por el primer aspecto de la invención para un ejemplo de n~alización para el que éste comprende, dispuestos en una carcasa H:
- -
- unos medios de iluminación que incluyen una fuente de luz F, en general láser, y una serie de elementos ópticos dispuestos a la salida de la fuente de luz F (divisor de haz y lenles), así como un fotodetector PD para la detección del pulso emilido por la fuenle de luz F y la generación de una correspondiente señal de detección a utilizar como inicio de lal cuenta de tiempo para un sistema TOF pulsado. Los medios de iluminación eslán configurados y dispuestos para proyectar sobre la superficie a escanear S un haz de luz Be con una divergencia detenninada para iluminar una sub-áre,a Si del área que constituye la superficie a escanear S;
- -
- unos medios de dirección de luz asociados a los medios de iluminación configurados para dirigir el haz de luz Be para que ilumine diferentes sub-áreas Si de la superficie a escanear S, de manera alternada, y que comprenden un dispositivo Me reflectante y/o deflectante dispuesto entre el haz de luz Be y la superficie a escanear S, y que es desplazable girando, para el ejemplo de realización iluslrado, respeclo a dos ejes (X e Y) para llevar a cabo dicha dirección alternada del haz de luz Be; para otro ejemplo de realización, no ilustrado, el dispositivo Me es desplazable únicamente respecto a un eje, con el fin de obtener únicamente imágenes lineales;
- -
- unos medios de recepción y detección configurados y dispuestos para recibir y detectar, de manera alternada, correspondientes porciones de luz Sr, de dicho haz de luz Be, reflejadas en cacla una de las diferentes sub-áreas Si de la superficie a escanear S, donde dichos medios de recepción y detección
- -
- un matriz o cuadricula Od de d.etectores de luz O; y
- -
- unos medios de redirección de luz que incluyen:
como un OMO, donde los GMs son grupos de espejos que se controlan de manera digital en el OMO), en un número mayor que el número de detectores de luz O, para recibir las porciones de luz reflejada Br (en este caso a través de un sistema óptico Li y un prisma P de tipo TIR (acrónimo de "Total Internal Reflection": reflexión interna total)), cada una de ellas en una respectiva sub-cuadrícula SOr de la cuadrícula Or (ver Figs. 2, 3 Y 4), Y
- -
- un elemento reflectante Mr dispuesto entre la cuadrícula Or de elementos de redirección de luz GM y la cuadrícula de detectores de luz Od, que es desplazable girando respecto a dos ejes para llevar a cabo la
redirección secuencial de cada una de las porciones de luz reflejada Br
recibida en cada una de las sub-cuadriculas SOr hacia los detectores de luz O de la cuadrícula Od (en este caso tras reflejarse en el prisma P y pasar a través de un sistema óptico LI).
- -
- un elemento A capaz de absorber y desechar la luz que la cuadrícula de elementos de redirección de luz Or no dirige hacia la cuadrícula de detectores de luz Od de aCUlerdo con lo establecido por un proceso de
Algunos de los elementos del sistema no se han ilustrado en la Figura 1, tales como los medios de control, diferentes clases de circuiterla eléctrica y electrónica, etc. con el fin de que ésta tenga mayor claridad y facilite el entendimiento de las funciones de iluminación por sub-áreas Si y correspondiente
recepción y detección llevadas a cabo por el mismo. Por ejemplo, no se han
representado los circuitos TOC (acrónimo de "Time to Digital Converter": Convertidor de Tiempo a Digital) usadc.s para la medida de TOF entre el senal del detector PO y O que finalmente determinará la medida de distancia.
En la Fig. 1 se ilustran dos porciones Br de luz reflejada en la sub-área Si, mediante dos respectivas lineas de flecha continuas que se dirigen hacia dos
correspondientes elementos de redirec:ción de luz GM de la cuadrícula Qr que las
redirigen hacia la cuadricula Qd de detectores de luz D, asl como, en linea discontinua de trazos, una porción de luz reflejada en la zona de la superficie Si,
que proviene del haz de luz Be, que va a parar a un elemento de redirección de
luz GM que la redirige hacia un eleme,nto absorbedor de luz A, con el fin de que no interfiera con las senales de interés. Un proceso secuencial controla qué GMs dirigen luz hacia los detectores y cuales dirigen la luz hacia el absorbedor A. También se representa en linea discontinua de puntos, una porción de luz
reflejada en otra zona de la superficie S, y que no proviene del haz de luz Be, que va a parar a un elemento de redirección de luz GM que la redirige hacia el
elemento absorbedor de luz A, también con el fin de que no interfiera con las señales de interés.
Como detectores de luz D se utilizan, para un ejemplo de realización preferido, detectores SiPM (acrónimo de "Silicon Photomulliplier": Fotomultiplicadores de Silicio), debido a su alta ganancia (>10' ), elevado ancho de banda y a su capacidad para detectar las porciones de luz reflejada Br, en forma de pulsos, mediante una configuración de conteo de fotones o configuración de disparo por flanco, que penmite detectar pulsos de luz extremadamente débiles, del orden de docenas de fotones/pulso, muy lejos de la capacidad de los detectores APD (acrónimo de "Avalanche Photodiodes": fotodiodos de avalancha) o fotodiodos PIN de las unidades TOF estándar.
Debido a que los detectores basados en silicio, como los detectores SiPM, solamente pueden detectar luz visible, para otro ejemplo de realización el sistema comprende una clase de detectores e'quivalentes a los SiPM en tecnologias no basadas en silicio (por ejemplo InGaAsllnP) que permiten la detección de luz en la banda infrarroja, preferentemente a 15,50 nm, por temas de seguridad ocular. De la misma forma , estos detectores en la banda infrarroja tendrían una sensibilidad y ganancia del mismo orden que los SiPM penmitiendo también detectar cantidades de luz del orden de pocas decenas de fotones.
Los SiPM son detectores de estado sólido que ofrecen una ganancia y un ancho de banda comparable al de 10Si PMT. Están formados por una matriz de
fatodiados de avalancha polarizados en modo Geiger sobre un mismo substrato y
bajo una misma tensión de polarización. Cada uno de los GM-APDs (acrónimo de "Geiger-Mode Avalanche Photodiode": Fotodiodos de avalancha en modo Geiger)
es activado a través de la absorción de una pequeña cantidad de folones
obteniendo en la salida una corriente proporcional al número de GM-APDs
activados, y por consiguiente, a la calntidad de fofones recibidos. Teniendo en
cuenta que los ánodos de cada uno de los GM-APDs que forman el detector están unidos, la carga total a la salida de éstE> será proporcional al número de GM-APDs activados y por lo tanto, será proporcional a la cantidad de fotones detectados.
Para otros ejemplos de realización, se utilizan como detectores de luz otra
clase de detectores, tales como tubos fotomultiplicadores, APD (acrónico de "Avalanche Photodiode": Fotodiodo de avalancha), fotodiodos PIN, SPADs (acrónimo de "Single Photon Avalanche Diode": Diodo de avalancha de fotón único), etc. seleccionándose el tipo de detector de luz en función de la aplicación.
En las Figs. 2, 3 Y 4 se ilustra el escaneado de tres respectivas sub-áreas Si de la superficie S mediante el sistema y el método propuestos por la presente invención, para un ejemplo de realizac¡ón, que se ha llevado a cabo mediante un barrido secuencial de la superficie S lOan el haz de luz Be, comenzando por la sub-área superior izquierda (Fig. 2) si!guiendo la trayectoria en zig-zag indicada por las líneas de flecha que pasan por todas las sub-áreas Si, representándose en la Fig. 3 una de las sub-áreas intermedias de dicha trayectoria, y finalizando en la sub-área inferior derecha de la superficie S (Fig. 4). La cuadricula de elementos de redirección de luz Qr se encuentra conjugada ópticamente con toda la superficie a escanear S.
Comenzando por la Fig. 2, en ella puede verse cómo las tres porciones de luz de Br, marcadas en linea continua, reflejadas en la sub-área Si van a parar, tras pasar por el sistema óptico Lí, a tms respectivos elementos de redirección de luz GM de tres respectivas regiones Z de la sub-cuadrícula SOr que, para el caso de que Qr sea un DMD, será la región de escaneado activa del DMD. Puede verse también un ejemplo de porción ele luz Br (linea discontinua) reflejada en la sub-area Si que va a parar a su resp,ectivo elemento GM a través del sistema
óptico Li y éste lo redirecciona al elemento absorbente de luz A para su
eliminación. Solo un elemento GM de cada región Z puede redireccionar luz del haz Br hacia un detector D (pasando por P, Lf i Mr) porque solo existe un detector D para cada región Z.
Cada uno de dichos tres elementos de redirección de luz GM redirecciona las porciones de luz reflejada Br recibidas hacia el elemento reflectante Mr, tras su paso por el prisma P y el sistema óptico Lf, el cual adopta una posición en la que la cuadricula de detectores de luz Qd se encuentra ópticamente conjugada con la sub-cuadricula Si, y por tanto con la sub-area Si, de manera que las tres
porciones de luz reflejada Sr son recibidas, manteniendo la relación espacial, en
tres correspondientes detectores de luz: D.
El escaneado del resto de sub··areas Si, las de las Figs. 3 y 4 Y las del
resto, se lleva a cabo de la misma manera que se ha explicado con referencia a la
Fig. 2, mediante el desplazamiento del haz de luz Be para iluminar cada sub-area Si, y el correspondiente desplazamiento, de manera sincronizada, del elemento reflectante Mr para conjugar ópticamente a la cuadricula de detectores de luz Qd
con la correspondiente sub-cuadrícula de elementos de redirección de luz SQr, y
recibir asi las porciones de luz refle,jada Br recibidas por la respectiva subcuadrícula SQr mediante el proceso de escaneo secuencial apropiado.
Como dispositivo Me y elemento reflectante Mr se utilizan, según un ejemplo de realización , dispositivos de espejos MEMs, los cuales son espejos de unos 2 o 3 mm de diametro con capacidad de giro alrededor de dos ejes perpendiculares entre si, que permite trabajar a altas frecuencias (hasta docenas de KHz) sin sufrir los inconvenientes que otra clase de elementos retlectantes convencionales padecen (vibraciones, grandes tamaños o desgaste mecánico), lo que permite obtener sin problemas unas velocidades de escaneado que se corresponden con la tasa de imágenes, por segundo, del orden de 30 imagenes/s con imágenes de mas de 10K puntos por imagen.
El elemento Mr permite mantener la continuidad espacial entre Qr y Qd
- permitiendo aprovechar el número total de detectores para cada región SOr.
- Aunque en las Figs. 2, 3 Y 4 se ha representado cada región l como
- formada por un mismo número de e~lementos de redirección de luz GM, en
- particular cuatro, en función del ejemplo de realización cada una de estas
- S
- regiones puede incluir un número distinto de elementos GM y/o cada elemento
- GM puede estar formado por un número distinto de micro-espejos (no ilustrados).
- El número de GMs variará según el tamaño y número de micro-espejos que
- agrupe cada uno, en función de su tamaño configurado (para mejorar la recepción
- de energía a cambio de sacrificar reso~ución espacial, o viceversa). Debe tenerse
- 10
- en cuenta que el tamaño de cada GM será variable dentro de los límites de l , es
- decir que, como mucho, un GM tendrá un tamaño igual al de toda la superficie de
- una región l, haciendo que en ésta solamente quepa un solo GM.
- A su vez, en dichas figuras se ha representado una matriz de detectores
- Od formada por 3x3 detectores. Este tamaño ha sido escogido a modo de ejemplo
- 15
- para este ejemplo de realización. No obstante, cada sub-cuadricula SOr tiene que
- contener divisiones Z según el número y distribución de forma de la cuadrícula de
- detectores Od. En este caso, una cuadricula de detectores Od de 3x3 detectores
- ha generado una sub-división de la sub-cuadricula SOr de 3x3 sub-regiones l.
- En el ejemplo de realización iluslrado en las Figs. 2, 3 Y4, dos de las zonas
- 20
- l , en particular la zona central y la qU03 ocupa el vértice derecho inferior de SOr,
- han recibido una porción de luz reflejada Br solamente en un único GM de cada
- una de ellas, habiendo sido ambas redireccionadas por completo, de una sola
- vez, hacia unos correspondientes detElctores de luz D de la cuadricula Od, una
- hacia el detector central y la otra hacia el detector que ocupa el vértice derecho
- 25
- inferior de Od.
- En cambio, la zona l situada ,m el vértice superior izquierdo de SOr ha
- recibido dos sub-porciones de luz reflejada Sr, en dos respectivos GMs, una de
- las cuales, marcada con línea continua, ha sido redireccionada hacia un
- correspondiente detector de luz D de la cuadrícula Od , en particular el situado en
- 30
- el vértice superior izquierdo de la misma, mientras que la otra , marcada con línea
- discontinua, se ha desviado hacia el elemento absorbedor A. En un momento
posterior (no ilustrado), según un proceso secuencial, mediante actuación sobre los GMs, se redirecciona la sub-porción de luz reflejada Br marcada con linea
discontinua hacia el detector de luz O del vértice superior izquierdo de Qd , y la marcada con línea continua se dE!Svía hacia el elemento absorbedor A, consiguiendo así un aumento de la resolución espacial, ya que un mismo detector
de luz D (o pixel de la matriz de detectores Qd) recibe la porción de luz Br recibida en varios GM, en este caso en los d"s GM de la región Z del vértice superior
izquierdo de Qr, en la forma de una sec:uencia de sub-porciones.
Tal aumento de la resolución espacial es representativo de un ejemplo de realización preferido, y ventajosamente se aplica también al resto de regiones Z que reciben luz reflejada Br, de manera, que un mismo detector D recibe la porción de luz Br recibida en varios GM de cada región Z, en la forma de una secuencia de sub-porciones. Los GM que durante el proceso secuencial no están redirigiendo porciones de luz Sr se desvían hacia el elemento absorbedor A con el fin de que no interfieran con las señales de interés.
Esta redirección secuencial de sub-porciones de la porción de luz reflejada se encuentra descrita en la solicitud internacional W02012123809A1 , aunque aplicado simultáneamente a toda la c:uadricula Qr, a diferencia de la presente invención donde se trabaja sub-cuadrícula por sub-cuadricula SOr.
Obviamente, para un ejemplo ele realización menos preferido, es posible utilizar el sistema de la invención sin realizar tal proceso de redirección secuencial de sub-porciones de luz reflejada Br.
Mediante este ejemplo de rea,lización preferido se obtiene lo que los presentes inventores han denominado como proceso SSDS (acrónimo de "Semi-Sequential Digital Scanning": Escanea,do digital semi-secuencial). Considerando una fuente de luz de una potencia concreta y compartida entre el SSDS y un sistema basado en matriz de detector€~s que ilumina la supeñicie bajo medida de forma completa, y un campo de visión también compartido entre ambos sistemas, el sistema SSDS mejora la distancia máxima medible gracias a su mayor concentración de energía por unidad de superficie. Se mantienen unos rendimientos elevados en velocidad de escaneado, resolución espacial u otras
propiedades de exploración. Esta mejora en distancia de medida es debido a que el haz de iluminación no necesita cubrir toda el área a escanear sino que permite escanear por subregiones pudiendo ccmcentrar la energía de iluminación en una región más pequeña donde se encuentran los puntos que se pretenden medir. El
uso del elemento Mr permite utilizar I,a totalidad de la matriz de detectores Od
para cada región SOr evitando infrautilizar detectores debido a discontinuidades
ópticas entre los puntos de la superficie, y los elementos de detección D.
la Fig. 5, ilustra el ejemplo de realización básico descrito en un apartado anterior, en el que el sistema incluye solamente un detector de luz D, el tamaño la región Z ocuparia toda la sub-cuadricula SOr. Por lo tanto, solo un elemento GM podrá redireccionar sub-porciones de luz del haz Br hacia el detector D de forma simultánea. En particular, según dicha Fig. 5, la sub-porción marcada con linea continua es dirigida hacia el único detector de luz D, mientras que las dos marcadas con líneas discontinuas son desviadas hacia el elemento absorbedor A
Si para este ejemplo de realización básico de la Fig. 5 se implementa el
referido proceso SSDS, cada una de las tres sub-porciones de luz reflejada Br se
redirigirá de manera secuencial hacia 01 detector de luz único D, mientras que las
Se puede decir que el sistema propuesto por la presente invención permite obtener unos resultados intennedios entre los sistemas de escaneo secuencial y los basados en matriz de detectores estándar que iluminan la supeñicie de forma completa , consiguiendo una combinación equilibrada de sus propiedades que lo hacen ideal para una amplia gama dEl aplicaciones. la siguiente tabla muestra valores orientativos obtenidos mediante un prototipo del sistema SSDS, para medidas TOF, comparándolos con valores estándar y totalmente orientativos de los sistemas mencionados. Cabe mencionar que los valores mostrados en la tabla , para los casos de escaneo secuHncial y matriz de detectores son altamente variables dependiendo de las propied"des de la fuente de luz, campo de visión, sensibilidad de los detectores, etc. No obstante, ejemplifican valores típicos que se aproximan a una gran cantidad dE! sistemas comerciales basados en estas tecnologias.
- Escane'o secuencial
- Basado en matriz de detectores SSDSTOF
- Distancia medible
- >10km Dependiente de la potencia del láser <15m estandar >15 según potencia láser yFOV >100m
- Sensibilidad a la luz de fondo
- Baja Alta Media
- Velocidad de escaneado ("frame rate")
- -1 ima¡len/s >60 imagenes/s -30 imagenes/s
- Resolución espacial
- 100 Kp)( 20 Kpx Variable hasta 2 Mpx
- Propiedades de escaneado modificables de acuerdo a condiciones externas
- No No Si
- Tamaño
- Grande PequeM Pequeño
La cantidad de deteclores de luz en malriz Od limita la velocidad de captura de las imagenes. A mas detectores, más velocidad de medida ya que mas S medidas simultáneas pueden llevarse a cabo. En el sistema propuesto por el
primer aspecto de la invención , dado que la resolución espacial viene dada por la
matriz Or de elementos de redirección de luz GM, es posible utilizar matrices de detectores de luz Od de pequeño tamaño (p.ej. de 4x4 detectores). Estas matrices de pequeño tamaño pueden incorporar circuiteria de medida TOF más compleja
10 que las matrices de gran tamaño (p.ej. de 128x128 detectores) utilizadas en los sistemas basados en matrices de detectores ya que su integración a nivel microelectrónico es mucho más sencilla . Por ello, la circuitería de contaje de tiempo (circuito TOe) puede incorporar funciones adicionales, tales como las relativas a medidas en entornos complejos, implementadas en la forma de circuitería optimizada para, por ejemplo lluvia, niebla, nieve, polvo y detección de
objetos bajo vegetación. Además, la ,jivergencia del haz emitido Be puede ser
ajustada en función del rendimiento requerido, e incluso puede ajustarse utilizando alguna clase de "zoomft motorizado.
Mediante el método y el sistema propuestos por la presente invención, además de poder modificar la resolución espacial para medir distancies, se
incluyen algoritmos inteligentes de detección y seguimiento de objetos basados en DMD y SSDS, para controlar la secuencia de escaneado de manera que implementen funciones de detección y seguimiento de objetos. Esto comporta que
la secuencia de escaneado pueda no ser repetitiva sino que podría centrarse solo
en los objetos identificados como "objetivo" y prescindir del resto de campo de
visión. Para algunas realizaciones, se implementan algoritmos de predicción de movimientos para realizar detección y seguimiento de forma inteligente, pudiendo estar la ejecución de estos algoritmos condicionada por los datos captados per
una cámara 2D externa al aparato, es decir a la carcasa H.
La ventaja que ofrece la utilización del DMD por parte del sistema y el método propuestos por la presente inl/ención, con respecto a otros sistemas, es
que éste se controla de forma digital sin movimientos mecánicos, lo que favorece la ejecución de los algoritmos complejos de seguimiento y detección de objetos sin limitaciones de movimiento mecánico del sistema de escaneado.
Otra de las ventajas que ofrece el sistema y el método propuestos por la
presente invención, en contraste con los sistemas tradicionales, es que, para
algunos ejemplos de realización, permite variar los parámetros de escaneado en tiempo real, dependiendo de factores externos (o de cualquier señal, externa o
interna, proveniente de detectores o de sistemas de comunicación locales o remotos) . Esta cualidad ha sido denominada por los presentes inventores como ~Escaneado Dinámico", es una consecuencia natural de la implementación digital
del sistema de escaneado del primer aspecto de la invención y permite abordar un amplio rango de funcionalidades de valor añadido, además de las medidas de
30 distancia tradicionales para imagen 3D, tales como las siguientes, relativas al campo de la automoción:
- -
- Capacidades de medición de distancia adaptables. Como se ha
comentado anteriormente, cuanto más pequeña es la resolución espacial de la
imagen que se pretende medir, mayor es la distancia que se puede medir y mayor
es también la velocidad en imágenes por segundo. Esto significa que la resolución espacial se puede reducir cuando las condiciones externas requieren una
medición de largo alcance. Por ejemp,lo, en condiciones de niebla, es preferible
aumentar la energla recibida mediantH el escaneado con patrones que incluyan
un menor número de píxeles (es decir configurar GMs de mayor tamaño agrupando un mayor número de micro·espejos), por lo que la energía perdida por el efecto de la niebla puede ser compensada por la mejora en la recepción de energía a expensas de la pérdida de resolución espacial.
- -
- Resolución espacial adaptable. a los objetos de interés. Este es el paso inverso al punto anterior. la resolución espacial se puede aumentar, agrupando menor cantidad de micro-espejos en cada GM, para detectar con mayor precisión los objetos de interés con el fin de distinguir, por ejemplo, a los peatones, artefactos u otros objetos de una man,era más precisa. Al aumentar la resolución espacial, dada una misma potencia de iluminación, la distancia medible será menor debido a que la energía redirigida por cada GM también será menor. No obstante, al augmentar la resolución espacial de la imagen, se puede obtener más información de cada objeto o detectar objetos más pequeños. El aumento de la resolución puede concentrarse en ciertas áreas del campo de visión identificadas como regiones de interés. Este proceso se puede configurar sobre la marcha.
Escaneado dependiendo de: condiciones externas. Poniendo como ejemplo la aplicación de automoción, conducir por una autopista es bastante diferente a hacerlo por ciudad. En ,,1 primer caso, los objetos de interés se encuentran a distancias más largas. En tal caso, mediante la modificación de la configuración de escaneado es posible detectar el entorno de una forma más adecuada. En el segundo caso, es preferible trabajar con una alta resolución espacial y una distancia más corta. Además, puede ser útil configurar diferentes resoluciones espaciales en algunas regiones de la imagen. Por ejemplo, las
regiones laterales se pueden configurar con una alta resolución espacial debido a
que los peatones generalmente vienen de las aceras. Por otra parte, las zonas
superiores con menos interés se pueden escanear rápidamente configurándolas con una resolución espacial menor.
- -
- Combinación de información 20 y datos de distancia. A veces los datos 20 en color o blanco y negro puede~n ser útiles para detectar situaciones de riesgo, pero su fiabilidad no es buena ya que la falta de información de profundidad provoca ambigüedades e,n los algoritmos de análisis. Mediante la combinación de datos 20 i 3D se pW3de obtener una herramienta mas precisa para mejorar la asistencia a la seguridad y la conducción. El escaneado digital puede complementar el análisis 2D, p.roporcionando la información de distancia concentrada sólo en las regiones de interés.
- -
- La imagen por infrarrojos lejanos (FIR: "Far Infared Scanning") es útil para detectar peatones en condiciones nocturnas. Sin embargo, sin la información de distancia, el análisis de imágenes puedle llevar a falsas alarmas e interpretaciones incorrectas de la escena. Una medición de distancia puede contribuir a hacer que los sistemas tradicionales de detección sean más fiables.
Estos son solamente algunas posibles aplicaciones del sistema y el método propuestos por la invención, pero exis,ten un amplio campo de aplicaciones que pueden beneficiarse de la presente invención, en particular cuando incorpora el denominado escaneado dinámico. AI9unas de tales aplicaciones ya han sido indicadas en un apartado anterior (video vigilancia inteligente, Vehículos autoguiados o semi-automáticos supervisaalos, etc.)
Finalmente, en la Fig. 6 se ilustra un diagrama de flujos Que representa una implementación del método propuesto por el segundo aspecto de la invención, para un ejemplo de realización par el que éste incluye las siguientes etapas:
El : Inicio.
E2: Posicionamiento del dispositivo o espejo Me en una primera posición.
E3: Posicionamiento del elemento reflectante Mr es una primera posición
E4: Generación de un primer patrón de escaneado del DMD.
E5: Emisión del pulso láser.
E6: Comienzo de la cuenta de ti"mpo con el TDC.
E7: Detección del pulso de luz reflejada Br en cada detector O de la matriz
5 Od.
ES: Detención de la cuenta de ti..mpo del TDC.
E9: Obtención del valor de distancia.
E10: ¿Escaneado de la sub-área Si acabado?
E11 : Pasar a siguiente patrón dE! escaneado del DMD.
10 E12: ¿Se ha obtenido el escane,.do TOF de toda la sub-área Si?
E13: Transmisión de datos.
E14: Posicionamiento del ellemento reflectante Mr para conjugarlo
ópticamente con la siguiente sub-cuadricula SOr del DMD.
E15: Posicionamiento del dispositivo o espejo Me para dirigir al haz de luz
15 Be hacia la siguiente sub-área Si.
Por lo que se refiere los patmnes de escaneado del DMD (o de otro dispositivo que se utilice como Or en lugar de un DMD), éstos hacen referencia, en general, a la selección de los GMs que dirigen luz hacia Od, y la razón de ser de cambiar dicho patrón en la etapa E 11 es, en general, para redirigir hacia Od 20 otra sub-porción de una porción Br, o sub-porciones de porciones Br, con el fin de implementar el ejemplo de realización anteriormente explicado en que cada
porción Br se redirigía secuencialmente en sub-porciones hacia un mismo detector de luz, aunque el cambio de patrón también puede tener otros motivos,
como el relativo al cambio, sobre la marcha, del tamaño de cada GM, en cuyo 25 caso el cambio de patrón hace referencia la selección de micro-espejos que conforman cada GM.
El anterior diagrama de flujo es implementado, para un ejemplo de realización, por el programa de ordenador propuesto por el cuarto aspecto de la
invención.
Un experto en la materia podría introducir cambios y modificaciones en los s ejemplos de realización descritos sin salirse del alcance de la invención según está definido en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (25)
- REIVINDICACIONES1.-Sistema para escanear una superlicie, que comprende:
- -
- unos medios de iluminación de una superficie a escanear (S), la cual es al menos en parte reflectante; y
unos medios de recepción y detección para recibir y detectar una porción de luz reflejada por dicha superficie (S), comprendiendo dichos medios derecepción y detección unos medios de redirección de luz que incluyen unapluralidad de elementos de redirección de luz (GM) dispuestos en cuadricula (Or) en un número mayor que el número de unos detectores de luz (D), quecomprenden al menos un detector, y para recibir unas porciones de luz reflejadacada una de ellas en una respectiva sub-cuadricula (SOr) de dicha cuadricula (Or);en donde dichos medios de redirección de luz están configurados ydispuestos para redirigir, de manera secuencial, cada una de las porciones de luzreflejada (Br) recibida en cada una de las sub-cuadriculas (SOr) hacia dicho detector de luz (D), que es al menos uno,estando el sistema caracteriz:ado por que comprende además unos medios de dirección de luz (Me) asociados a dichos medios de iluminación configurados para dirigir, mediante un elemento desplazable, al menos un haz de luz (Be) para que ilumine diferentes sub-áreas (Si) del área que constituye dichasuperficie a escanear {S}, de manera alternada, y porque dichos medios derecepción y detección están configurados y dispuestos para recibir y detectar, de manera alternada, unas correspondientes porciones de luz (Br), de dicho haz de luz (Be), reflejadas en cada una dE! dichas diferentes sub-áreas (Si) de la superficie a escanear (S). - 2.-Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende una pluralidad de detectores de luz (D), incluyendo a dicho detector de luz, dispuestos en cuadricula (Od), estando los medios de redirección de luz configurados y dispuestos para redirigir, de manera se'cuencial, cada una de las porciones de luz reflejada (Br) recibida en cada una de las sub-cuadriculas (SOr) de elementos de redirección de luz (GM) hacia los detectores de luz (D) dispuestos en cuadrícula (Od).
- 3.-Sistema según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque dichos medios de redirección de luz comprenden al menos un elemento reflectante (Mr) dispuesto entre la cuadricula (Qr) de lelementos de redirección de luz (GM) y el detector de luz (D) o la cuadricula de detectores de luz (Od), que es desplazable para llevar a cabo dicha redirección socuencial de cada una de las porciones deluz reflejada (Br) recibida en cada una de las sub-cuadrículas (SOr) hacia el detector de luz (D) o los detectores de luz (D) dispuestos en cuadrícula (Od).
- 4.-Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichos medios de dirección de luz están configurados para dirigir el haz de luz (Be) de manera secuencial.
- 5.-Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios de dirección de luz comprenden al menos un dispositivo (Me) reflectante y/o deflectante dispuesto entre el haz de luz (Be) y la superficie a escanear (S), y que es desplazable para llevar a cabo dicha dirección alternada del haz de luz (Be).
- 6.-Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el número de elementos de redirección de luz (GM) de cada una de las sub-cuadrículas (SOr) es igual al número de detectores de luz (D).
- 7.-Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el número de elementos de redirección de luz (GM) de cada una de las sub-cuadrículas (SOr) es superior al número de detectores de luz (D), y porque comprende unos medios de control asociados a los medios de redirección de luz para llevar a cabo la redirección de cada una de las porciones de luz reflejada (Br) recibida en cada una de las sub-cuadriculas (SOr) hacia los detectores de luz (D), redirigiendo sub ..porciones de cada porción de luz reflejada (Br), de manera secuencial, hacia el detector o detectores de luz (D), mediante el control independiente de correspondientes sub-grupos de elementos de redirección de luz (GM) de cada sub-cuadrícula (SOr).
- 8.-Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porque comprende unos medios de control asociados a los mediosde dirección de luz y a los medios de rl3dirección de luz para llevar a cabo tanto ladirección del haz de luz (Be) hacia las diferentes sub-áreas (Si) de la superficie a escanear (S) como la redirección de cada una de las porciones de luz reflejada (Br) hacia el detector o detectores de luz (O), de manera sincronizada.
- 9.-Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porque cada elemento d," redirección de luz (GM) está formado porun número variable de microelementos de redirección de luz.
- 10.-Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caraclerizado porque la cuadricula (O,) de elementos de redirección de luz (GM)es una cuadrícula de interruptores de luz.
- 11 .-Sistema según la reivindicación 9, caracterizado porque la cuadrícula (Or) de elementos de redirección de luz (GM) comprende un modulador espacial de luz basado en micro espejos, una pantalla de cristal liquido o unos espejos deformables.
- 12.-Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende, en asociación o como parte de los medios de recepción y detección, unos medios ele medida para medir la distancia entre el sistema y cada punto de la superficie a escanear (S) mediante la determinación del tiempo de vuelo.
- 13.-Sistema según la reivindicación 12, caraclerizado porque dichos medios de medida están configurados para obtener una imagen tridimensional de reconstrucción topográfica mediante nube de puntos de la supeñicie a escanear(S).
- 14.-Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porque constituye o forma parte de al menos unos de los siguientessistemas:
- -
- sistema de evitación de colisiones;
- -
- sistema de detección y seguimiento de objetos estáticos o móviles;
-sistema de video vigilancia inte~ligente; -sistema de control de zonas fronterizas;- -
- sistema de visión tridimensional en sistemas inteligentes de seguridad ;
- -
- sistema de navegación para vHhículo auto-guiado o semi-guiado supervisado;
- -
- sistema de video multimedia 3D;
- -
- sistema de asistencia y seguridad en la conducción;
-sistema de transporte inteligente; -sistema de detección bajo follalje;- -
- sistema de mapeado;
- -
- sistema de visión artificial en robótica.
- 15.-Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos dichos elementos de redirección de luz (GM) ylodicho elemento reflectante (Mr) y/o dicho dispositivo (Me) reflectante y/odeflectante están implementados mediante sistemas micro electromecánicos.
- 16.-Método para escanear un" superficie, que comprende-las siguientes etapas:
- -
- iluminar una supeñicie a esc:anear (8), la cual es al menos en parte
reflectante;- -
- recibir una porción de luz reflejada en una respectiva sub-<:uadricula (SOr de una cuadricula (Or) en la que se encuentran dispuestos una pluralidad de elementos de redirección de luz (GM), en un número mayor que un número de detectores de luz (D), que son al menos uno; y
- -
- redirigir, de manera secuencial, cada una de las porciones de luz reflejada
recibidas en cada una de dichas sub-cuadriculas (SOr) hacia dichos detectores de luz (D), que son al menos uno.caracterizado porque dicha etapa de iluminar comprende proyectar sobre dicha superficie a escanear (S), al menos un haz de luz (Be) con una divergenciadeterminada para iluminar una sub-área (Si) del área que constituye dichasuperficie a escanear (S), dirigiendo dicho haz, para que ilumine diferentes subáreas (Si) de la superficie a escan,ear (S), de manera alternada; y porquecomprende además:recibir y detectar en dicho al menos un detector de luz (D), de manera alternada, correspondientes porciones de luz (Br), de dicho haz de luz (Be), reflejadas en cada una de dichas diferentes sub-áreas (Si) de la superficie a escanear (S) y redirigidas desde cad" una de dichas sub-cuadriculas (SQr) en donde se han recibido. - 17.-Método según la reivindic"ción 16, caracterizado porque comprende redirigir, de manera secuencial, cada una de las porciones de luz reflejada (Br) recibida en cada una de las sub-cuadriculas (SQr) de elementos de redirección de luz (GM) hacia una pluralidad de d ..tectores de luz (D), incluyendo a dicho detector de luz, dispuestos en cuadricula (Qd).
- 18.-Método según la reivindicación 16 ó 17, caracterizado porque comprende llevar a cabo el escaneado de dicha superficie a escanear (S) utilizando el sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15.
- 19.-Método según la reivindicación 18, caracterizado porque comprende determinar y variar el grado de la divergencia del haz de luz (Be) ylo variar el número de elementos de redirección de luz (GM) de cada sub-cuadrícula (SQr), de manera automática ylo bajo indicación de un usuario ylo en función de una serie de señales de entrada locales y.lo remotas ylo provenientes de detectores internos ylo externos, para aumentar la, distancia de emisión, con el fin de detectar una superficie a mayor distancia, ylo la velocidad de escaneado, sacrificando resolución espacial, o para aumentar la resolución espacial, sacrificando potencia óptica recibida, con el fin de escanear con mayor precisión un objeto de interés.
- 20.-Método según la reivindicElción 19, caracterizado porque comprendellevar a cabo dicha variación del grado de la divergencia del haz de luz (Be) ylo del número de elementos de redirecdón de luz (GM) de cada sub-cuadricula (SOr), sobre la marcha, en función de las circunstancias de funcionamiento y/o delentorno y/o de unas detecciones de objetos realizadas.
- 21 .-Método según la reivindicación 20, caracterizado porque comprendevariar el número de elementos de reclirección de luz (GM) de la sub-cuadricula(SOr) o sub-cuadriculas (SOr) de elementos de redirección de luz (GM) donde se ha recibido la luz reflejada (Br) en un objeto detectado.
- 22.-Método según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 21 , caracterizado porque comprende utilizar algoritmos de detección y seguimiento de objetos para el control de la secuencia de escaneado y la determinación de las sub-áreas (Si) a escanear (8) como zonas ocupadas o a ocupar por uno o más objetos de interés.
- 23.-Método según la reivindicación 22, caracterizado porque dichosalgoritmos de detección y seguimiento incluyen algoritmos de predicción demovimientos.
- 24.-Método según la reivindicación 23, caracterizado porque comprendeutilizar unas imágenes captadas por una cámara 2D para condicionar la ejecución de dichos algoritmos de detección y seguimiento de objetos.
- 25.-Programa de ordenador que incluye instrucciones de programa ejecutables en un ordenador para implementar al menos parte de las etapas del método según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 24, incluyendo el análisis de las señales de salida de los detectores de luz, y la variación, mediante la generación de unas correspondientes señales de control, del grado de divergencia del haz de luz y del número de elementos de redirección de luz activos de cada sub-cuadricula.
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