[发明专利]一种距离选通超分辨率三维成像装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光三维成像技术领域，尤其涉及一种距离选通超分辨率三维成像装置及方法。

背景技术

针对传统三维成像技术存在的作用距离近(如结构光成像、双目立体视觉成像)、空间分辨率低(如闪光激光成像雷达)的问题，人们发展了距离选通三维成像技术。该距离选通三维成像技术是一种新型的三维成像技术，利用距离选通成像技术获取目标空间切片图像，并基于此反演目标的三维空间信息，具有空间分辨率高(像素数可大于1000×1000)、作用距离远(几千米)、破雾雨雪成像等特点，在机器人视觉、虚拟现实、目标侦察、航天探测等领域具有广泛的应用。

典型的距离选通三维成像技术是2004年丹麦科技大学J.Busck提出的距离选通步进延时扫描三维成像(J.Busck and H.Heiselberg，“Gated viewing and high-accuracy three-dimensional laser radar”，Appl.Opt.，Vol.43(24)，4705-4710(2004).)，利用选通成像在距离向上小步长步进获取不同距离下的切片图像，然后通过大量的距离切片反演出目标的距离，但是，该方法本质上是一种扫描机制的成像方法，欲获得高的距离分辨率，需在较小延时步进补偿下获取目标大量的距离切片图像，然后处理大量数据，因此，实时性较差。

为了解决距离选通步进延时扫描三维成像存在的问题，2007年底德法圣路易斯研究院M.Laurenzis提出了一种新的距离选通激光三维成像技术(Martin Laurenzis，Frank Christnacher，and David Monnin，Long-range three-dimensional active imaging with superresolution depth mapping，Opt.Lett.，Vol.32(21)，3146-3148(2007).)，该技术利用激光脉冲和选通脉冲的卷积作用获取具有梯形包络的空间切片，通过相邻两幅切片图像间的图像灰度比与距离能量比之间的映射关系实现目标三维空间信息的快速反演，不但解决实时性差的问题，同时解决了高距离分辨率依赖高性能器件的问题，达到了利用低性能器件获得与传统技术高性能器件相媲美的距离分辨率。但是，该技术在距离信息反演中，相邻切片间的灰度比动态范围小，导致对背景噪声扰动敏感，较小的灰度比变化就会产生较大的距离反演误差，从而降低了距离分辨率，影响了其在低对比度目标探测、远距离身份识别、逆向工程、航天器软着陆等领域的应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述现有技术存在的不足之处，本发明的主要目的在于提出一种距离选通超分辨率三维成像装置及方法，以达到快速、高分辨率获取目标三维空间信息的目的。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种距离选通超分辨三维成像装置，该装置包括触摸屏显示器8、中心处理器9、时序控制器10、脉冲激光器11、照明光学镜头12、选通面阵成像器件13和成像光学镜头14；其中，脉冲激光器11和照明光学镜头12连接构成照明单元；选通面阵成像器件13和成像光学镜头14连接构成成像单元；触摸屏显示器8、中心处理器9和时序控制器10构成系统控制及显示单元。

为达到上述目的，本发明还提供了一种距离选通超分辨率三维成像方法，应用于所述的距离选通超分辨率三维成像装置，该方法采用脉冲激光器作为照明光源，采用选通面阵成像器件接收目标回波信号，利用距离选通成像构造具有三角形距离能量包络的空间切片，并在三维成像工作时序下获取前视视场的二维切片图像，然后基于摄像机坐标系建立二维切片图像与三维空间切片的对应关系，由相邻切片图像间重叠区像素灰度比与距离能量比之间的映射关系反演出二维切片图像每个像素对应的三维空间单元的距离信息，从而获得前视视场的距离图，然后基于该距离图通过摄像机针孔模型反演出每个像素对应的空间单元的三维空间信息，实现三维成像。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，由于最少可通过两幅图像便可反演出目标的三维信息，所以与传统的距离选通步进延时扫描三维成像相比，本发明的原始数据量和处理数据量大大减少，且大大提高了系统的时效性。