[发明专利]基于VCSEL的三维人脸测量模组及测量方法

说明书

一种基于VCSEL的双目三维人脸测量模组及时序测量方法，该模组由VCSEL阵列光源、投影透镜、扩束透镜、数模转换模块、两个红外数码相机、频率同步控制模块、微处理器、数据传输模块、控制电路构成。所述模组通过控制电路对每个VCSEL光源独立控制，运用时序编码解码的方法，实现双目立体视觉中同源点的匹配。利用沿时序展开的二值化时序数列配对方式，对每个投影图案光点进行匹配，解决了现有基于VCSEL阵列光源对投影图案要求较高的不相关度和很好的均匀度的问题，实现了对VCSEL阵列光源可任意排列的自由度。本发明提出了所述时序编码解码的具体方法和采用所述时序测量方法所需编码投影图案的最小幅数。

技术领域

本发明涉及机器视觉三维测量领域，具体是一种基于VCSEL的三维人脸测量模组及其时序测量方法。

背景技术

人脸数字化在公共安全领域及生活娱乐领域都有着极广泛的应用和需求。传统的二维人脸识别包含数据信息量有限，容易受到外界因素的干扰，应用场景也受到一定的限制。随着三维测量技术和相关软件硬件领域的发展，三维人脸数字化在提升国际技术竞争力和推动国内制造业发展等方面都有着重大的意义。

三维人脸数据需要通过三维重建技术获得，通过测量工具和算法获取目标人脸的三维模型。由于人脸测量对效率和身体感知等都有特殊的要求，在诸多三维重建技术中，主动式非接触结构光投影三维测量技术在人脸数字化中不断涌现和发展。由于其具有非接触、无损耗、高灵敏度、可全场检测等现代光学测量技术的诸多特点，特别符合三维人脸测量的需求。

现有主动式光学三维测量技术主要有傅里叶变换法、相位测量法、灰度编码法和颜色编码法。此类技术采用传统投影仪，不但系统结构复杂，体积庞大，而且对测量环境和光照条件要求苛刻，限制了其在复杂照明条件和嵌入式机器视觉领域的深入应用。

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，以下简称为VCSEL)，以砷化镓半导体材料为基础研制，有别于LED(发光二极管)和LD(激光二极管)等其他光源，具有体积小、圆形输出光斑、阈值电流小、易集成为大面积阵列等诸多优点。最吸引人的是它的制造工艺与发光二极管(LED)兼容，大规模制造成本低廉，VCSEL阵列可满足三维人脸数字化中结构光投影的广泛测量需求，方便集成于手机等小型化设备中，并可充分利用手机中的双摄像头，封装成三维测量模组。

双目立体视觉的三维测量方法的最关键步骤为在匹配图像中寻找同源点，通过同源点的视差并根据三角测量法可计算出目标物体距离相机的深度信息。所述的同源点即同一物点在双目相机中各自对应的像点。所述的视差即由于左右两个相机位置的差异导致物体成像位置的位移。在现有常用的同源点匹配算法中，由于两个相机的位置差异产生图像形变以及投影结构光图案的变形往往导致错误匹配。

三维重建算法和结构光的种类密切相关，一种新的可用于三维轮廓测量的结构光提出总要伴随与之对应的算法。王少卿等人提出一种结合双目立体视觉和达曼激光点阵的三维测量方法【参见在先技术1：王少卿等，基于达曼光栅的物体三维轮廓测量模组及测量方法，中国发明专利CN 10254347A】，该方法利用光栅投影点阵计算三维点云，该方法的缺陷是无法对单个或几个点阵进行分别控制，当投影点阵过于密集的时候匹配同源点容易出错。

由于目前普通CCD响应时间极短，以时间序列展开，可得到结构光投影图案序列，从而实现对人脸三维信息的高效获取。基于时间序列的结构光投影模型在三维人脸测量中已有运用【参见在先技术2：周常河等，用于双目视觉三维测量的同源点快速匹配方法，中国发明专利CN 103900494A】，但该方法对时序投影图案的要求比较高，导致对集成投影单元要求比较高，并不适合集成于小型化模组当中。

在投影结构光采用VCSEL阵列的实施例中，为了得到不相干的结构光图案，对VCSEL光源的排列有特殊要求，在集成化的制作工艺上增加了难度，并且当集成投影单元微型化之后，光源，光学元件等散热性较差，温度的变化会对集成投影单元投射的图案产生影响，制造的误差也会影响到投射图案，从而影响三维重构计算的精度。