[发明专利]用于图像采集和分析的有源脉冲4D 摄像装置的方法和装置

说明书

利用精确控制的光源的有源脉冲四维摄像装置系统产生空间信息和人类观察的或者计算机分析的图像。以足够的速率执行四维光学信息的获取，以便为摄像装置处于运动和/或被成像、检测及分类的对象处于运动中的运动中应用提供准确的图像和空间信息。实施方式允许减少或去除来自处理图像的图像阻挡条件，例如雾、雪、雨、雨夹雪和灰尘。实施方式提供在白天或夜间条件下的操作，并且可以被用于具有诸如阴影去除的特征的白天或夜晚的全动态视频捕获。多角度图像分析被教导作为用于基于其光学反射特性来对对象和表面特征进行分类和识别的方法。

技术领域

实施方式总体上涉及提供到场景的图像中的点的距离的测量的摄像装置。更特别地，实施方式涉及有源光源摄像装置，由此在周围照明条件的宽范围内获取场景和对象的图像，其中每个摄像装置像素提供颜色和距离信息。

背景技术

也称为三维(3D)摄像装置的三维光子成像系统能够为场景中的物理对象提供距离测量和光子测量。这种3D摄像装置的应用有工业检测、选择性机器人视觉、3D建模、地理测量和法医分析。

可以利用各种技术实现3D摄像装置，其中每个技术组合都存在使得摄像装置在广泛使用的应用中无效的某些限制。立体视觉3D摄像装置以固定的、高度校准的配置实现两个或更多个成像阵列，并且利用视场内的公共点的三角测量以建立到公共点中的每一个的距离。立体视觉系统受到由于遮挡和视差引起的图像距离不准确的影响。此外，当图像阵列之间的基线距离相对于被测距离较小时，距离精度受到影响。最后，由于需要多个图像阵列并且对图像阵列之间的基线偏移的高精度要求，立体3D摄像装置是昂贵的。

飞行时间(TOF)系统利用脉冲或调制的光源例如激光，因此它们提供用于与用于测量从场景中的对象反射的光的幅度和定时的成像系统一起照亮场景的光脉冲。使用用于所有反射信号的已知光速确定到场景中点的距离。用于TOF设备的成像系统包括具有通常使用CCD或CMOS技术制造的光电检测器阵列的摄像装置，以及用于快速选通光电检测器元件的收集时间的方法。在特定的选通周期期间，光电检测器元件捕获反射光。

一些TOF系统仅利用光脉冲和门控光电检测器之间的定时来确定3D 对象距离。其他TOF系统在选通捕获周期期间利用接收的光量来建立对象距离。这些系统的精度取决于入射光的均匀性和光电检测器的选通机构的速度。

利用门控光电检测器是建立到场景中的对象的距离的有效方法。通过精确地控制入射光脉冲和门控光电检测器之间的定时，可以精确地确定到某些距离带中的对象的距离。为了建立其他距离带的对象距离，使用随后的光和门控光电检测器周期，同时将静止的对象和固定的摄像装置保持在它们的当前配置和取向中。场景中的摄像装置和/或对象的任何移动将导致没有彼此配准的距离测量带。

美国专利第4935616号中描述的3D摄像装置使用调制源和成像系统。该系统的优选实施方式使用CW激光器并且利用入射信号和反射信号之间的相位差来建立到对象的距离。

在美国专利第5081530号中描述了另一种3D摄像装置。该系统利用了用于每个光电检测器元件的一对门。到对象的距离根据两个门控元件处的采样能量之间的差异的比率确定。

美国专利第7362419号和美国专利第7755743号各自利用调制的光强度源和相位范围来检测发射信号和检测信号之间的相移。美国专利第 8159598号的实施方式利用了调制的光强度和相移检测用于飞行时间确定。美国专利第8159598号的其他实施方式利用了具有低分辨率距离路径的高分辨率颜色路径来确定用于检测器或检测器组的3D信息。

Yahav的美国专利第8102426号描述了芯片上的3D视觉，并且利用在操作时间被选通的光电检测器元件阵列以在场景中建立对象距离。光电检测器位置用于TOF距离测量或用于确定对象颜色。Yahav的实施方式描述了利用光电检测器元件的组或带来建立各种距离带。Yahav的其他实施方式描述了用于每个捕获周期的单个距离带，其中利用捕获周期的序列建立了全场景距离。尽管在Yahav中未指定，实施方式的要求是在整个捕获周期的序列中没有摄像装置和场景中的对象的移动。