[发明专利]基于CMOS传感器的抗强光三维捕捉方法及系统

说明书

本发明涉及基于CMOS传感器的抗强光三维捕捉方法，包括：调整所述镜头的黑电平的值，并获取每一个调整情况对应的拍摄图像的灰度值的变化；根据每一个调整情况对应的拍摄图像的灰度值的变化，得到并记录调整系数k_b；获取CMOS传感器的每个像素接收到的目标物体反射的环境光产生的电平值，根据所述调整系数k_b调整黑电平值至低于所述环境光产生的电平值；确定最终的模拟增益的数值，进行三维捕捉。本发明通过将黑电平的值调整至稍稍低于环境光本身产生的电平，便可将环境光的影响降至最低，进而可以增加模拟增益或增加曝光时间给投影图案流出足够的灰阶以进行精确的测量。

技术领域

本发明涉及机器视觉领域，尤其涉及基于CMOS传感器的抗强光三维捕捉方法及系统。

背景技术

基于结构光三维扫描设备在结构光生成方式上大致分为两类：

1.基于激光衍射形成图案的结构光；

2.基于图像投影的结构光。

基于激光衍射的结构光优点在于其对于能量的节约程度较高，形成的图案中亮点的能量集中，亮点与暗区的对比度较高，能够在环境光线相对较强的场景下使用。而且其图案所包含的信息量较大，可以使用单幅图像与参考图像进行匹配，所以扫描的帧率较高，可达到60fps以上。其缺点也非常明显，由于激光衍射形成的是密集光斑组成的图案，使用拍摄到的图像与参考图像匹配时，确定两幅图像中的同名点(来自于空间中同一实际物体的点)需要借助此点在图像上的一个小的邻域中的多个光斑来判断，这就造成了其实际的点云中，点与点之间是存在相关性的。这种相关性在目标物体表面存在深度的突变时，将会严重降低对深度估计的准确性。激光衍射结构光虽然能够在环境光相对较强的场景下使用，但当环境光达到10000lux以上时，衍射结构光也会出现无法测量的情况。

基于图像投影的结构光优点在于对3D点云测量的准确性高。其在结构光的类型上属于在时间上编码而非基于激光衍射的空间编码。所以投影结构光在空间上的精度更高，其点云中的每个点都是独立的，其输出的点的坐标并不依赖周围点的位置。但其在时间上不能通过单帧图片获得深度。在整个点云获取中，需要投影和拍摄多帧图片，而在这整个过程中，相机和目标物体必须保持相对静止，这就对相机的使用场景产生了限制。图像投影结构光另一个弱点是只能在环境光线较弱的场景下使用。这是由于其成像原理造成的。其成像元件无论是DMD芯片还是液晶，控制像素亮度的原理都是将光线挡住或是将光线反射至别的方向后被吸收。这种原理本质上会造成发光功率的极大的浪费。在光线较强的环境中，投影产生的图像不能提供足够的对比度，会导致测量精度的下降甚至会出现无法测量的情况。在场景中同时存在表面反射系数高和反射系数低的物体时，或是同时存在远处和近处的物体，导致不同物体反射回摄像机镜头的光线强度差别达到数十倍以上时，无法同时兼顾不同物体的测量精度。

但是无论在以上两种方案中的哪一种中均存在以下缺陷，另外由于激光衍射形成的图案本质上也是投影图案，所以下面统一使用“投影图案”来表示这两种方案的图案形成方式。

摄像机拍摄到的某个像素，其光线的来源是目标物体表面的一小块区域。在测量时，令I_pixel表示此像素捕捉到的光照强度。

I_pixel＝g×s×r×(I_ambient+I_projected)

其中g为像素的模拟增益，s为像素的曝光时间，r为物体表面在该相素空间位置决定下的漫反射系数。I_ambient为环境光入射强度。I_projected为投影图案光的入射强度。假设在整个测量过程中，环境光的强度不发生变化，则该像素捕捉到的光照强度的最大和最小值分别为：

I_{pixel_max}＝g×s×r×(I_ambient+I_{projected_max})