专利名称：一种距离选通超分辨率三维成像装置及方法
技术领域：
本发明涉及激光三维成像技术领域，尤其涉及一种距离选通超分辨率三维成像装置及方法。
背景技术：
针对传统三维成像技术存在的作用距离近(如结构光成像、双目立体视觉成像)、 空间分辨率低(如闪光激光成像雷达)的问题，人们发展了距离选通三维成像技术。该距离选通三维成像技术是一种新型的三维成像技术，利用距离选通成像技术获取目标空间切片图像，并基于此反演目标的三维空间信息，具有空间分辨率高(像素数可大于 1000X1000)、作用距离远(几千米)、破雾雨雪成像等特点，在机器人视觉、虚拟现实、目标侦察、航天探测等领域具有广泛的应用。
典型的距离选通三维成像技术是2004年丹麦科技大学J. Busck提出的距离选通步进延时扫描三维成像(J. Busck and H. Heiselberg,“Gated viewing and high-accuracy three-dimensional laser radar”，AppI. Opt. , Vol. 43 (24), 4705-4710 (2004) ·),利用选通成像在距离向上小步长步进获取不同距离下的切片图像，然后通过大量的距离切片反演出目标的距离，但是，该方法本质上是一种扫描机制的成像方法，欲获得高的距离分辨率， 需在较小延时步进补偿下获取目标大量的距离切片图像，然后处理大量数据，因此，实时性较差。
为了解决距离选通步进延时扫描三维成像存在的问题，2007年底德法圣路易斯研究院M. Laurenzis提出了一种新的距离选通激光三维成像技术(Martin Laurenzis, Frank Christnacher,and David Monnin,Long-range three-dimensional active imaging with superresolution depth mapping, Opt. Lett.，Vol. 32 (21)，3146-3148 (2007).)，该技术利用激光脉冲和选通脉冲的卷积作用获取具有梯形包络的空间切片，通过相邻两幅切片图像间的图像灰度比与距离能量比之间的映射关系实现目标三维空间信息的快速反演，不但解决实时性差的问题，同时解决了高距离分辨率依赖高性能器件的问题，达到了利用低性能器件获得与传统技术高性能器件相媲美的距离分辨率。但是，该技术在距离信息反演中，相邻切片间的灰度比动态范围小，导致对背景噪声扰动敏感，较小的灰度比变化就会产生较大的距离反演误差，从而降低了距离分辨率，影响了其在低对比度目标探测、远距离身份识别、逆向工程、航天器软着陆等领域的应用。发明内容
(一 )要解决的技术问题
针对上述现有技术存在的不足之处，本发明的主要目的在于提出一种距离选通超分辨率三维成像装置及方法，以达到快速、高分辨率获取目标三维空间信息的目的。
( 二 )技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种距离选通超分辨三维成像装置，该装置包括触摸屏显示器8、中心处理器9、时序控制器10、脉冲激光器11、照明光学镜头12、选通面阵成像器件13和成像光学镜头14 ;其中，脉冲激光器11和照明光学镜头12连接构成照明单元；选通面阵成像器件13和成像光学镜头14连接构成成像单元；触摸屏显示器8、中心处理器9和时序控制器10构成系统控制及显示单元。
为达到上述目的，本发明还提供了一种距离选通超分辨率三维成像方法，应用于所述的距离选通超分辨率三维成像装置，该方法采用脉冲激光器作为照明光源，采用选通面阵成像器件接收目标回波信号，利用距离选通成像构造具有三角形距离能量包络的空间切片，并在三维成像工作时序下获取前视视场的二维切片图像，然后基于摄像机坐标系建立二维切片图像与三维空间切片的对应关系，由相邻切片图像间重叠区像素灰度比与距离能量比之间的映射关系反演出二维切片图像每个像素对应的三维空间单元的距离信息，从而获得前视视场的距离图，然后基于该距离图通过摄像机针孔模型反演出每个像素对应的空间单元的三维空间信息，实现三维成像。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果
I、利用本发明，由于最少可通过两幅图像便可反演出目标的三维信息，所以与传统的距离选通步进延时扫描三维成像相比，本发明的原始数据量和处理数据量大大减少， 且大大提闻了系统的时效性。
2、利用本发明，由于采用了具有三角形距离能量包络的空间切片对前视视场进行切片成像，并基于相邻切片间重叠区三角形距离能量包络建立距离能量比与相邻切片图像像素灰度比间映射关系，实现目标的距离信息的获得，所以相比于M. Laurenzis的基于梯形距离能量包络反演目标距离信息，本发明扩展了图像灰度比的动态范围，大大提高了距离分辨率，降低了对噪声扰动的敏感度。
3、利用本发明，由于三维成像过程中采用距离选通成像获取前视视场的切片图像，所以本发明可很好的抑制大气等的后向散射，在雾雨雪等恶劣天气环境下仍可有效工作。
图I是本发明提供的距离选通超分辨三维成像的工作原理；
图2是本发明提供的距离选通超分辨三维成像装置的框架图3是本发明提供的像平面坐标系与摄像机坐标系的示意图4是对本发明提供的距离选通超分辨率三维成像进行验证实验的结果示意图。
图中主要元件符号说明
I距离选通超分辨率三维成像装置，2空间切片(三维立体采样区)，3切片图像m， 4切片图像m+1，5重叠区，6三维图像，7空间单元，8触摸屏显示器，9中心处理器，10时序控制器，11脉冲激光器，12照明光学镜头，13选通面阵成像器件，14成像光学镜头。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
在此公开本发明结构实施例和方法的描述。可以了解的是并不意图将本发明限制在特定公开的实施例中，而是本发明可以通过使用其它特征，元件方法和实施例来加以实施。不同实施例中的相似元件通常会标示相似的号码。
如图I和图2所示，本发明提供的距离选通超分辨率三维成像装置I包括触摸屏显示器8、中心处理器9、时序控制器10、脉冲激光器11、照明光学镜头12、选通面阵成像器件13和成像光学镜头14。该距离选通超分辨率三维成像装置I采用脉冲激光器11作为照明光源，采用选通面阵成像器件13接收目标回波信号，工作中，利用距离选通成像构造具有三角形距离能量包络的空间切片2，并在三维成像工作时序下获取前视视场的二维切片图像，然后基于摄像机坐标系建立二维切片图像与三维空间切片2的对应关系，由相邻切片图像间重叠区5像素灰度比与距离能量比间的映射关系反演出二维切片图像每个像素对应的三维空间单元7的距离信息，从而获得前视视场的距离图，然后基于该距离图通过摄像机针孔模型反演出每个像素对应的空间单元7的三维空间信息，实现三维成像。
在距离选通超分辨率三维成像装置I中，脉冲激光器11可采用具有方波时域脉形的半导体激光器，在TTL触发信号触发下输出具有方波时域脉形的激光脉冲，并经照明光学镜头12发射对前视视场内目标进行照明，当激光传至目标后被目标散射或发射形成后向传播的回波信号。选通面阵成像器件13可选用选通ICXD(Intensified (XD)，其选通功能可由ICCD的选通门实现，选通门在TTL触发信号触发下工作，形成具有方波时域脉形的选通脉冲，选通脉冲脉宽对应的是选通面阵成像器件13的有效曝光时间，在此曝光时间内接收由成像光学镜头14收集的来自前视视场内激光照射目标形成的回波信号。时序控制器10可基于FPGA实现，产生所需的三维成像工作时序，输出两路TTL触发信号，分别触发脉冲激光器11和选通面阵成像器件13工作，可通过TTL信号调节激光脉冲和选通脉冲的脉宽和重复频率，设置选通脉冲和激光脉冲间的延时；中心处理器9可基于DSP和FPGA实现，主要功能是处理来自选通面阵成像器件13的切片图像，计算反演目标的三维图像6，并可设置照明光学镜头12和成像光学镜头14的照明视场和成像视场以及时序控制器10的工作参数；触摸屏显示器8可采用具有触摸屏功能的平板显示器，主要功能是显示二维切片图像或三维图像，并可输入系统参数及控制命令等。
工作中，首先利用距离选通成像构造具有三角形距离能量包络的空间切片2，并在三维成像工作时序下获取前视视场的二维切片图像。其中，距离选通成像是通过控制激光脉冲和选通脉冲间的延时实现的，在激光脉冲发射一定的延时后，选通面阵成像器件13的选通功能开启形成选通脉冲，从而只接收前视视场内特定距离的三维立体采样区内的回波信号，输出二维切片图像至中心处理器9。该二维切片图像的像素数由选通面阵成像器件 13的像元数决定，其图像像素数为IX J。每个切片图像对应一个空间切片2，即三维立体采样区，相应地，二维切片的每个像素对应空间切片2的一个空间单元7，则空间切片2由IX J个空间单元7组成。基于摄像机坐标系可建立二维切片图像与三维空间切片2的对应关系。选通面阵成像器件13的像元数为IXJ，其中I为选通面阵成像阵列的行数，J为选通面阵成像阵列的列数，则二维切片图像的像素数为IXJ。如图3所示，二维切片图像在像平面坐标系下像素(Xi，Yj)通过摄像机针孔模型与三维空间切片2在摄像机坐标系下空间单元7 (Xi, Yp Zi, P可建立如下关系
权利要求
1.一种距离选通超分辨三维成像装置，其特征在于，该装置包括触摸屏显示器(8)、中心处理器(9)、时序控制器(10)、脉冲激光器(11)、照明光学镜头(12)、选通面阵成像器件(13)和成像光学镜头(14);其中，脉冲激光器(11)和照明光学镜头(12)连接构成照明单元；选通面阵成像器件(13)和成像光学镜头(14)连接构成成像单元；触摸屏显示器(8)、中心处理器(9)和时序控制器(10)构成系统控制及显示单元。
2.根据权利要求I所述的距离选通超分辨率三维成像装置，其特征在于，所述脉冲激光器(11)是该距离选通超分辨率三维成像装置的照明光源，采用具有方波时域脉形的半导体激光器，在TTL触发信号触发下输出具有方波时域脉形的激光脉冲，并经照明光学镜头(12)发射对前视视场进行照明，当激光脉冲传至目标后被目标散射或发射形成后向传播的回波信号。
3.根据权利要求I所述的距离选通超分辨率三维成像装置，其特征在于，所述照明光学镜头(12)用于发射所述脉冲激光器输出的脉冲激光，在所述中心处理器(9)控制下可对激光的发散角进行调节，实现照明视场的控制。
4.根据权利要求I所述的距离选通超分辨率三维成像装置，其特征在于，所述选通面阵成像器件(13)是该距离选通超分辨率三维成像装置的成像探测器件，是具有选通功能的面阵成像阵列，其选通功能由TTL触发信号触发工作，该选通面阵成像器件(13)像元数为IXJ，其中I为选通面阵成像阵列的行数，J为选通面阵成像阵列的列数。当外触发信号触发选通面阵成像器件(13)时，选通功能开启，形成具有方波时域脉形的选通脉冲，选通脉冲脉宽对应的是选通面阵成像器件(13)的有效曝光时间，在此曝光时间内接收由成像光学镜头(14)收集的来自前视视场内激光照射目标形成的回波信号。
5.根据权利要求I所述的距离选通超分辨率三维成像装置，其特征在于，所述成像光学镜头(14)用于收集目标回波信号，在所述中心处理器(9)控制下能够调节成像视场。
6.根据权利要求I所述的距离选通超分辨率三维成像装置，其特征在于，所述时序控制器(10)是该距离选通超分辨率三维成像装置的时序发生器，接收来自所述中心处理器(9)发送的设置命令，产生该距离选通超分辨率三维成像装置工作所需的三维成像工作时序，输出两路TTL触发信号分别触发所述脉冲激光器(11)和所述选通面阵成像器件(13)工作，实现所需成像功能。
7.根据权利要求I所述的距离选通超分辨率三维成像装置，其特征在于，所述触摸屏显示器(8)用于设置该距离选通超分辨率三维成像装置的工作参数并具有图像显示功能，该触摸屏显示器具有触摸屏功能，与所述中心处理器(9)连接，供用户设置工作参数，同时，用于显示中心处理器(9)处理后的三维图像；该触摸屏显示器(8)还与选通面阵成像器件(13)相连，显示选通面阵成像器件(13)输出的二维切片图像。
8.根据权利要求I所述的距离选通超分辨率三维成像装置，其特征在于，所述中心处理器(9)用于将所述触摸屏显示器(8)输入的工作参数设置命令分别发送给与该中心处理器(9)相连接的所述时序控制器(10)、所述照明光学镜头(12)和所述成像光学镜头(14)，并存储所述选通面阵成像器件(13)输出的二维切片图像，并对这些二维切片图像数据进行处理，实现三维重构得到三维图像，将该三维图像传给所述触摸屏显示器(8)。
9.一种距离选通超分辨率三维成像方法，应用于权利要求I至8中任一项所述的距离选通超分辨率三维成像装置，其特征在于，该方法采用脉冲激光器作为照明光源，采用选通面阵成像器件接收目标回波信号，利用距离选通成像构造具有三角形距离能量包络的空间切片，并在三维成像工作时序下获取前视视场的二维切片图像，然后基于摄像机坐标系建立二维切片图像与三维空间切片的对应关系，由相邻切片图像间重叠区像素灰度比与距离能量比之间的映射关系反演出二维切片图像每个像素对应的三维空间单元的距离信息，从而获得前视视场的距离图，然后基于该距离图通过摄像机针孔模型反演出每个像素对应的空间单元的三维空间信息，实现三维成像。
10.根据权利要求9所述的距离选通超分辨率三维成像方法，其特征在于，该方法中的距离选通成像是通过控制激光脉冲和选通脉冲之间的延时实现的，在激光脉冲发射一定的延时后，选通面阵成像器件的选通功能开启形成选通脉冲，从而只接收前视视场内特定距离的三维立体采样区内的回波信号，输出二维切片图像至中心处理器；该二维切片图像的像素数由选通面阵成像器件的像元数决定；选通面阵成像器件的像元数为IXJ，其中I为选通面阵成像阵列的行数，J为选通面阵成像阵列的列数；相应地，二维切片图像的像素数为IXJ;每个切片图像对应一个空间切片，即三维立体采样区，相应地，二维切片的每个像素对应空间切片的一个空间单元，则空间切片由IXJ个空间单元组成。
11.根据权利要求9所述的距离选通超分辨率三维成像方法，其特征在于，所述基于摄像机坐标系建立二维切片图像与三维空间切片的对应关系，是建立二维切片图像在像平面坐标系下像素Ui, Yj)与三维空间切片在摄像机坐标系下空间单元(Xi, Yj, Zijj)通过摄像机针孔模型之间的关系
12.根据权利要求9所述的距离选通超分辨率三维成像方法，其特征在于，所述的三维成像工作时序是指脉冲激光器的激光脉冲和选通面阵成像器件的选通脉冲之间的时序关系，即每个激光脉冲对应一个选通脉冲，且二者间存在一定的延时，该时序由时序控制器产生，满足 τ m = τ 0+(m-l) Δ t m e [I, M]公式 2 公式2中，τ C1为选通脉冲和激光脉冲间的初始延时，m为空间切片的序号，M为空间切片的总数，Tm为空间切片m对应的选通脉冲和激光脉冲间的延时，At为延时步进步长，满足 Δ t = tL = tg公式 3 公式3中，tL为激光脉冲脉宽，tg为选通脉冲脉宽；将在延时τ m下输出的空间切片的图像记为切片图像m，该切片图像对应的空间切片的切片距离为
13.根据权利要求9所述的距离选通超分辨率三维成像方法，其特征在于，所述三角形距离能量包络的空间切片是由激光脉冲和选通脉冲卷积作用产生的，当激光脉冲和选通脉冲的脉宽相等且脉形均为方波时，卷积后距离能量包络呈三角形，存在一上升沿和一下降沿，分别称为空间切片的头信号区和尾信号区；切片图像m对应的空间切片的距离区间为k -Dhea丨R + j,其中，Rffl为空间切片m的切片距离，Dhead,m为空间切片m的头信号区景深，Dtailjm为空间切片m的尾信号区景深。景深Dheadini和Dtailini的大小满足
14.根据权利要求9所述的距离选通超分辨率三维成像方法，其特征在于，所述相邻切片图像间重叠区像素灰度比与空间单元距离能量比间的映射关系是指在三维成像工作时序下相邻空间切片间的头信号区和尾信号区存在交叠，当前空间切片的头信号区与上一空间切片的尾信号区完全重叠，当前空间切片的尾信号区与下一空间切片的头信号区完全重叠，相应地，相邻空间切片对应的切片图像间存在重叠区，同时，由于像素灰度与该像素对应的空间单元的回波信号能量成正比，因此，可建立重叠区像素灰度比与距离能量比的关系
15.根据权利要求14所述的距离选通超分辨率三维成像方法，其特征在于，所述基于该距离图通过摄像机针孔模型反演出每个像素对应的空间单元的三维空间信息是指，由公式8反演获得选通面阵成像器件每一像元对应的空间单元的距离信息，并用该距离信息作为该像素的像素值，从而获得距离图。
16.根据权利要求15所述的距离选通超分辨率三维成像方法，其特征在于，所述距离图中第i行第j列像素的距离ry与空间单元(Xi, Yj, Zijj)的坐标存在以下关系 Xi +- rUj (i e [I，I]，j e [I，J]) 公式 9 公式9与公式I联立可获得每一像素(Xi，Yj)对应的空间单元(Xi, Yj, Zijj)的坐标
全文摘要
本发明公开了一种距离选通超分辨三维成像装置及方法，该装置包括触摸屏显示器(8)、中心处理器(9)、时序控制器(10)、脉冲激光器(11)、照明光学镜头(12)、选通面阵成像器件(13)和成像光学镜头(14)；其中，脉冲激光器(11)和照明光学镜头(12)连接构成照明单元；选通面阵成像器件(13)和成像光学镜头(14)连接构成成像单元；触摸屏显示器(8)、中心处理器(9)和时序控制器(10)构成系统控制及显示单元。利用本发明，解决了传统距离选通三维成像实时性差、对噪声扰动敏感灯问题，且本发明适应性好，灵活性强，可实现目标快速高分辨率三维成像。
文档编号G01C11/00GK102927972SQ20121043099
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月1日 优先权日2012年11月1日
发明者王新伟, 周燕, 刘育梁 申请人:中国科学院半导体研究所