[发明专利]结构光成像中去除背景光的方法

说明书

本发明公开一种结构光成像中去除背景光的方法，包括：S1、前后两帧图像分别采用全局快门曝光方式、卷帘快门曝光方式对图像传感器的全部像素进行曝光，每个像素曝光后累积的结构光电荷与背景光电荷按照电荷类别及先后时序分别单独存储于同一存储单元内；S2、读出电路按照时序分别逐行读取位于存储单元内每个像素的结构光电荷所对应的结构光电压及每个像素的背景光电荷所对应的背景光电压；S3、读出电路将读取的每个像素的结构光电压与背景光电压相减，以去除背景光。本发明通过共用存储单元的方式实现两帧相减的效果，不会增加存储单元的数量，过多占用像素的面积，无需缩小感光单元的尺寸，避免对像素的性能产生不利影响。

技术领域

本发明涉及于结构光成像技术领域，特别涉及一种结构光成像中去除背景光的方法。

背景技术

目前结构光成像技术开始广泛的应用于商业，例如人脸识别、安防监控、工业检测等领域。结构光的三维视觉成像是基于光学三角测量原理实现的。如图1所示，结构光三维视觉系统包括光学投射器1和摄像机2，光学投射器将一定模式(例如红外激光点阵)的光图案透射于物体表面，在表面上形成由被测物体表面形状所调制的点阵三维图像，该三维图像由处于另一位置的摄像机探测，从而获得点阵二维畸变图像。激光点阵的畸变程度取决于光学投射器与摄像机之间的相对位置和物体表面的形状轮廓(高度)。直观上，沿着点阵显示出的位移(或者偏移)与物体表面高度成比例，扭结表示平面的变化，不连续显示表面的物理间隙。当光学投射器与摄像机之间的相对位置一定时，由畸变的二维点阵图像坐标便可重现物体表面的三维形状轮廓。

传统的光学投射器投出的光频率在940nm，摄像机的图像传感器会有光学带通滤波器，只接收940nm频率的光。这样会很大程度上避免其他光源对结构光图案的影响。但是，在自然界(例如太阳频谱，白炽灯，卤素灯等)中会存在940nm的频率分量，能够对结构光图案造成影响。

一种解决背景光的方法是采用两帧相减的方法。如图2所示，首先，开启光学投射器投射940nm频率的图案，图像传感器捕获并存储一帧结构光，之后关闭光学投射器，图像传感器捕获并存储一帧背景光。通过计算机或专用处理芯片进行结构光帧与背景光帧的相减，之后计算结构光的深度，以消除背景光。

传统两帧相减方式存在如下几个缺点：首先，图像传感器捕获的第一帧需要一个完整的数字化存储空间将电压转换为数字信号进行存储，例如硬盘等工具，这对于日趋小型化的消费类电子产品是很大的挑战；其次，需要系统(专用芯片)对两帧进行减法计算，会消耗大量的系统资源；最后，图像传感器和系统需要传输和接收两帧才能得到背景光相减后的图像，需要双倍的系统带宽。

最接近片上两帧相减功能的技术方案是在全局快门的像素中，增加两个(或多个)存储单元，如图3和图4所示。第一存储单元3用于记录结构光信息，第二存储单元4用于记录背景光信息，在芯片读出时，为逐行读出。在选定一行后，首先该行所有像素读出第一存储单元3的信息，并存储，再读出第二存储单元4的信息，并用之前第一存储单元3的值减去第二存储单元4的值，以此类推，逐行完成扫描，即输出一帧背景光相减后的图像。

但该技术方案的缺点是在像素内需要至少两个存储单元，会占用像素内感光单元5的面积，使感光单元的面积变小，因此对像素的性能产生不利影响，例如降低像素的量子效率、灵敏度、满肼、动态范围等。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种结构光成像中去除背景光的方法，以解决因在全局快门的像素中增加存储单元而占用感光单元面积导致对像素性能产生不利影响的问题。

本发明提供的结构光成像中去除背景光的方法，包括如下步骤：

S1、前后两帧图像分别采用全局快门曝光方式、卷帘快门曝光方式对图像传感器的全部像素进行曝光，每个像素曝光后累积的结构光电荷与背景光电荷按照电荷类别及先后时序分别单独存储于同一存储单元内；