[发明专利]一种TOF深度相机系统及其降低外部误差的方法

说明书

本发明公开了一种TOF深度相机系统及其降低外部误差的方法，包括发光LED，所述发光LED上设有遮光格栅，所述遮光格栅上设有遮光部分与透光部分组合而成的图形。深度感光传感器阵列像素点接收到由发光LED发射通过被测场景表面反射的近红外光以及外部环境近红外光，通过计算相位差将其转化为深度信息，通过由后向散射光、经过多次漫反射光以及环境光叠加的像素点的光波路径长度以及周围的经过多次漫反射光以及环境光叠加的像素点的光波路径长度估算后向散射光的光波路径长度，排除环境光以及经过多次漫反射光引起的误差。

技术领域

本发明属于深度图像信息提取、处理及识别技术领域，特别是一种TOF深度相机系统及其降低外部误差的方法。

背景技术

TOF (Time of Flight) 深度相机是一种通过测量发射的光学信号在空间中飞行的时间从而计算得到外部测量场景的深度信息的系统。一个典型的TOF深度相机系统如图1所示，其中，信号发生器8产生固定频率的近红外光信号，通过调制器7进行调制，其后输送至发光LED的驱动电路6用来驱动发光LED 2，2可以是近红外LED (Infrared-Red LED, IRLED)或激光LED (Laser Diode, LD)，发光LED 2向外部测量场景发射近红外光，光波通过射出路径4被发射到外部场景，场景表面为不规则平面，光波信号在其表面发生镜面反射及漫反射，其中，大部分经过漫反射的反射信号都离开了透镜3的捕捉范围，而大部分后向散射光波信号通过反射路径5被透镜3捕捉，从而传输到深度感光传感器1，深度感光传感器1接收到反射的光波信号后经过A/D转换后输送到信号处理单元9，在信号处理单元9中，将发射的光波信号与接收的反射信号进行比较，得到他们的相位差，便根据信号的频率可知光波经过一个发射-反射路径经过的时间，从而根据光速计算得到各个像素点，即对应实际三维空间中的深度信息。

TOF深度相机系统测量深度信息过程中存在两类误差，使得测量不准确，一类是内部叠加误差，另一类是外部叠加误差。内部叠加误差主要由曝光误差、边缘叠加误差等组成。内部叠加误差主要由深度相机内部精度、材质等自身性质带来，可通过矫正、滤波等方法有效降低。而外部叠加误差是一种公认很难消除的误差，主要由外部被测物体结构带来，是随机、动态、毫无规律的。外部叠加误差问题如图2所示。发光LED2向外部测量场景发射光波，外部场景与TOF深度相机发射的光波信号非垂直，而是与光波信号保持一定的夹角，外部场景自身呈90°夹角。深度感光传感器包含感光阵列传感器，取其中的一个深度感光传感器12用来说明。深度感光传感器12接收由发光LED2发射的经过外部场景折射后的光波信号从而得到外部场景在此点的深度信息。

在测量深度信息过程中，虽然大部分经过外部场景表面漫反射的光波信号没有被透镜捕捉，但在图2所示的情况中，发光LED2发射的光波信号甲路径14是正确的直接被外部场景反射的后向散射信号，但一些光波信号却经过乙路径13在外部场景表面经过了两次镜面反射后被深度感光传感器12捕捉，叠加在直接反射的光波信号中从而得到了错误的光波信号。在实际更复杂的外部场景表面，可能发生更多次折射，使得外部叠加误差问题更严重。叠加得到的经过多次折射的错误光波信号使得深度感光传感器得到的深度信息包含误差，使得深度感光传感器认为外部场景15的表面是在具有外部叠加误差的被测像素点上有凸起16。更加严重的情况是，在有多个叠加误差经过多次反射于一个被测像素点时，超过了该点的光强接收能力，使得其光饱和，表现为曝光过度。在有很多像素点经过多次反射测量其深度信息时，由于正确深度信息被叠加上多余错误多次反射深度信息，使得所有测量深度信息均比实际值大，从而使得TOF深度相机测量的场景变为错误测量场景17，而不是真实的外部场景15，错误测量场景17距离更远，且其夹角也大于真实的90°。

一种解决方案是通过光线跟踪更新经过多次漫反射回到深度感光传感器的点云像素。此种方法的计算复杂度通常与点云数的二次方成正比，可通过迭代的方法求解，但其计算量很大，通常无法做到实时求解，信号处理时间一般都在1-10分钟。这使得此种方法多停留在理论阶段难以得到应用。