信号源空间传感方法、装置及主动式传感系统与流程

本发明实施例涉及主动式传感技术领域，具体而言，涉及一种信号源空间传感方法、装置及主动式传感系统。

背景技术

主动式传感系统是通过系统自身能量探测环境而激活的传感系统，如蝙蝠和海豚的回声定位，使用自身能量可以更好地控制信号强度、方向、时序和频谱特性。根据主动式传感的基本原理与过程，大量的主动式人造主动传感系统被设计出来，广泛的应用到航海、国防、气象、太空探索、工业检测和生物医学等领域。

传统的主动式传感过程需要使用发射器发射信号到被测场景或对象上，并使用接收器接收返回的含有信息的信号，包括从被测场景/对象反射的信号或穿透的信号，并进一步处理，完成主动传感的过程。主动式传感最大的优点在于信号受控，便于完成不同的传感目的，并且一定程度上能够节省传感器功耗，测量或跟踪目标物时，有着相对较高的效率和精度。但在信号传输的过程中，由于各种外部环境的影响(如信号源为可见光时，外界环境对信号的影响)、以及系统本身的误差，接收器接收到的信号可能会产生畸变，如接收器为电荷耦合器件图像传感器(chargecoupleddevice，ccd)时，因镜头的畸变而使接收信号发生畸变，进而导致传感过程产生误差或错误，这也阻碍了传统的主动传感方法得到进一步发展。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种信号源空间传感方法、装置及主动式传感系统，用以改善上述问题。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种信号源空间传感方法，应用于主动式传感系统，所述主动式传感系统包括被测物体、信号发射器、控制器和信号接收器，所述信号发射器和信号接收器均与所述控制器电连接，且所述信号发射器和信号接收器均与所述被测物体对应，所述方法包括：所述控制器控制所述信号发射器向所述被测物体发射第一信号；所述控制器控制信号接收器接收第二信号，其中，所述第二信号是所述第一信号经所述被测物体传输后得到的；所述控制器依据所述第一信号和所述第二信号，确定出所述被测物体的空间位置与信号源空间之间的坐标关系，其中，所述信号源空间是所述信号发射器发射的第一信号所在的坐标空间；所述控制器依据所述被测物体的空间位置与所述信号源空间之间的坐标关系，将所述第二信号映射回所述信号源空间得到信号源空间信号以重建传感信号。

第二方面，本发明实施例还提供了一种信号源空间传感装置，应用于主动式传感系统，所述主动式传感系统包括被测物体、信号发射器、控制器和信号接收器，所述信号发射器和信号接收器均与所述控制器电连接，且所述信号发射器和信号接收器均与所述被测物体对应，所述装置包括第一控制模块、第二控制模块、坐标确定模块及执行模块。其中，第一控制模块用于控制所述信号发射器向所述被测物体发射第一信号；第二控制模块用于控制信号接收器接收第二信号，其中，所述第二信号是所述第一信号经所述被测物体传输后得到的；坐标确定模块用于依据所述第一信号和所述第二信号，确定出所述被测物体的空间位置与信号源空间之间的坐标关系，其中，所述信号源空间是所述信号发射器发射的第一信号所在的坐标空间；执行模块用于依据所述被测物体的空间位置与所述信号源空间之间的坐标关系，将所述第二信号映射回所述信号源空间得到信号源空间信号以重建传感信号。

第三方面，本发明实施例还提供了一种主动式传感系统，所述主动式传感系统包括被测物体、信号发射器、控制器和信号接收器，所述信号发射器和信号接收器均与所述控制器电连接，且所述信号发射器和信号接收器均与所述被测物体对应；所述控制器包括：存储器；处理器；以及信号源空间传感装置，所述信号源空间传感装置存储于所述存储器中并包括一个或多个由所述处理器执行的软件功能模组，所述信号源空间传感装置包括第一控制模块、第二控制模块、坐标确定模块及执行模块。其中，第一控制模块用于控制所述信号发射器向所述被测物体发射第一信号；第二控制模块用于控制信号接收器接收第二信号，其中，所述第二信号是所述第一信号经所述被测物体传输后得到的；坐标确定模块用于依据所述第一信号和所述第二信号，确定出所述被测物体的空间位置与信号源空间之间的坐标关系，其中，所述信号源空间是所述信号发射器发射的第一信号所在的坐标空间；执行模块用于依据所述被测物体的空间位置与所述信号源空间之间的坐标关系，将所述第二信号映射回所述信号源空间得到信号源空间信号以重建传感信号。

相对现有技术，本发明实施例提供的一种信号源空间传感方法、装置及主动式传感系统，首先，通过信号发射器向被测物体发射第一信号，第一信号经被测物体传输后得到第二信号被信号接收器接收；然后，控制器依据第一信号及第二信号，确定出被测物体的空间位置与信号源空间之间的坐标关系，并依据该坐标关系，将第二信号映射回信号源空间得到信号源空间信号以重建传感信号，从而避免信息传输过程中信号可能产生的畸变，达到更有效的主动传感或成像，突破了传统方法的瓶颈。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的主动式传感系统的方框示意图。

图2示出了本发明实施例提供的控制器的方框示意图。

图3示出了本发明实施例提供的信号源空间传感方法流程图。

图4示出了本发明实施例提供的投影机坐标及相机坐标。

图5示出了投影机空间插值及结构光三维重建系统几何关系示意图。

图6示出了传统主动式传感结果图及本发明实施例提供的信号源空间传感结果图。

图7示出了传统主动式传感重建得到的三维点云。

图8示出了本发明实施例提供的信号源空间传感重建得到的三维点云。

图9示出了传统主动式传感及本发明实施例提供的信号源空间传感中非线性导致的错误点分布。

图10示出了本发明实施例提供的信号源空间传感装置的方框示意图。

图标：100-主动式传感系统；110-控制器；120-信号发射器；130-被测物体；140-信号接收器；111-存储器；112-存储控制器；113-处理器；200-信号源空间传感装置；201-第一控制模块；202-第二控制模块；203-坐标确定模块；204-执行模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参照图1，图1示出了本发明实施例提供的主动式传感系统100的方框示意图。主动式传感系统100包括控制器110、信号发射器120、被测物体130及信号接收器140，信号发射器120和信号接收器140均与控制器110电连接，且信号发射器120和信号接收器140均与被测物体130对应。

请参照图2，图2示出了本发明实施例提供的控制器110的方框示意图。控制器110可以是台式机、笔记本电脑等，其包括信号源空间传感装置200、存储器111、存储控制器112和处理器113。

所述信号源空间传感装置200、存储器111、存储控制器112和处理器113各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。所述信号源空间传感装置200包括至少一个可以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器111中或固化在所述控制器110的操作系统(operatingsystem，os)中的软件功能模块。所述处理器113用于执行存储器111中存储的可执行模块，例如所述信号源空间传感装置200包括的软件功能模块或计算机程序。

其中，存储器111可以是，但不限于，随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)，只读存储器(readonlymemory，rom)，可编程只读存储器(programmableread-onlymemory，prom)，可擦除只读存储器(erasableprogrammableread-onlymemory，eprom)，电可擦除只读存储器(electricerasableprogrammableread-onlymemory，eeprom)等。

处理器113可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。上述的处理器113可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，cpu)、网络处理器(networkprocessor，np)、语音处理器以及视频处理器等；还可以是数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器113也可以是任何常规的处理器等。

第一实施例

请参照图3，图3示出了本发明实施例提供的信号源空间传感方法流程图。信号源空间传感方法包括以下步骤：

步骤s101，控制器控制信号发射器向被测物体发射第一信号。

在本发明实施例中，第一信号包括可见光在内的所有波段的电磁波、声波、超声波等，信号发射器120可以是面阵式、点式、线阵式等。

当主动式传感系统100为结构光三维重建系统，且信号发射器120为投影机、信号接收器140为相机时，控制器110控制投影机向被测物体130投射垂直方向和平行方向的编码图案和其中，投影机型号为casioxj-m140，分辨率为1024×768，相机型号为avtprosilicagc650，分辨率为640×480，且工作在灰度模式。

步骤s102，控制器控制信号接收器接收第二信号，其中，第二信号是第一信号经被测物体传输后得到的。

在本发明实施例中，信号接收器140可以是面阵式信号接收器，第二信号可以是面阵式或等效面阵式的信号。

当主动式传感系统100为结构光三维重建系统，且信号发射器120为投影机、信号接收器140为相机时，控制器110控制相机捕获被测物体130上垂直方向和平行方向的变形图案和

步骤s103，控制器依据第一信号和第二信号，确定出被测物体的空间位置与信号源空间之间的坐标关系，其中，信号源空间是信号发射器发射的第一信号所在的坐标空间。

在本发明实施例中，当主动式传感系统100为结构光三维重建系统，且信号发射器120为投影机、信号接收器140为相机时，控制器110依据相机捕获的垂直方向和平行方向的变形图案和计算出变形图案中每个像素点的投影坐标以相位检测轮廓术为例，可以通过公式计算得到，其中，为相机捕获的垂直方向的变形图案，w^p为投影机投射的垂直方向的编码图案的宽度，为投影机投射的垂直方向的编码图案的相移变化。类似的，可以计算得到投影坐标也就是相机空间计算出的相位值。

步骤s104，控制器依据被测物体的空间位置与信号源空间之间的坐标关系，将第二信号映射回信号源空间得到信号源空间信号以重建传感信号。

在本发明实施例中，主动式传感系统100可以是单传感阵列或者多传感阵列，单传感阵列包括一个信号发射器120和一个或多个信号接收器140，多传感阵列包括多个信号发射器120和多个信号接收器140。

当主动式传感系统100为单传感阵列，且该单传感阵列包括一个信号发射器120和一个信号接收器140时，控制器110依据被测物体130的空间位置与信号源空间之间的坐标关系，将第二信号映射回信号源空间得到信号源空间信号以重建传感信号。

当主动式传感系统100为单传感阵列，且该单传感阵列包括一个信号发射器120和多个信号接收器140时，每个信号接收器140均与控制器110电连接，控制器110依据被测物体130的空间位置与信号源空间之间的坐标关系，将每个信号接收器140接收的第二信号均映射回信号源空间，以在信号源空间对多个第二信号进行融合得到信号源空间信号，并依据信号源空间信号重建传感信号。

当主动式传感系统100为多传感阵列时，也就是信号发射器120为多个，每个信号发射器120均与控制器110电连接，信号源空间为多个，控制器110依据被测物体130的空间位置与信号源空间之间的坐标关系，将信号接收器140接收的每个第二信号映射回每个第二信号对应的信号源空间，以使一个信号源空间重建出一个信号源空间信号，并对多个信号源空间信号进行融合后重建传感信号。

当主动式传感系统100为结构光三维重建系统，且信号发射器120为投影机、信号接收器140为相机时，信号源空间为投影机空间，控制器110依据被测物体130的空间位置与投影机空间之间的坐标关系，将每个像素点的投影坐标均映射回投影机空间进行取整，利用反向插值法得到投影机空间每个像素点的相机坐标以实现信号源空间成像。

由于步骤s103计算出的投影坐标是相机空间计算出的相位值，其是浮点数，故首先利用反向插值法将浮点精度的投影坐标插入到投影机空间的整数坐标空间中得到每个像素点的相机坐标如图4所示，利用已知的相机空间的像素点坐标(x^c+1,y^c)、(x^c,y^c+1)、(x^c+1,y^c+1)对应的投影坐标来计算插值系数，进而计算出相机坐标另外，利用投影机空间中已有的周围点对投影机空间中的空白点进行插值，如图5(a)所示，黑色实心的点为已有的点，利用这些点对黑色空心的点进行插值，进而得到投影机空间中每个点的相机坐标，即完成信号源空间的成像，进而结合预先校准得到的投影机参数矩阵和相机参数矩阵进行三维点云重建。

当主动式传感系统100为结构光三维重建系统时，上述介绍的信号源空间传感方法适用于不同的结构光技术，例如相位测量轮廓术、傅里叶轮廓术、线结构光技术等，同样的，信号源空间传感方法也同样适用于其他面阵式或等效面阵式的主动传感过程。

传统的结构光三维成像根据相机捕获的变形图案计算得到每个点的投影机坐标与相机坐标的对应关系，并结合校准信息重建出三维点云，也就是说，传统的结构光三维成像都是在相机视角进行重建的，但由于镜头畸变或投影机的非线性特性，会导致三维点云的重建产生较大的误差甚至错误，与传统的结构光三维成像相比，本发明实施例提供的信号源空间传感方法应用到结构光三维成像中的优势包括：

首先，投影机空间的高质量、高分辨率的二维图像重建，将低分辨率相机捕获的图像映射到高分辨率的投影机空间，可以得到高分辨率的二维图像。如图6所示，图6(a)是相机捕获的图像，分辨率为640×480，且目标区域只占整个图像的一部分；图6(b)是投影机空间二维图的重建，目标区域占据了整个投影机空间，分辨率为1024×768，因此，将相机空间的图像映射到投影机空间可以得到高分辨率的图像。另外，镜头的畸变会对相机空间的图像产生影响，如图6(b)所示，根据结构光三维成像的基本原理可知，在投影机空间重建二维图像时，不存在镜头畸变带来的影响，可以便捷的消除镜头畸变带来的影响，所以，利用本发明实施例提供的信号源空间传感方法可以在投影机空间得到高分辨率、高质量的二维图像。

其次，投影机空间的高分辨率结构光三维成像，利用信号源空间传感方法得到高分辨率、高质量的投影机空间的二维图像，基于此高分辨率的二维图像，可以重建出高分辨率的三维点云，例如，如图7和8所示，图7(a)是传统主动式传感重建得到的三维点云的主视图，图7(b)是图7(a)的局部放大图，图8(a)是本发明实施例提供的信号源空间传感重建得到的三维点云的主视图，图8(b)是图8(a)的局部放大图，由图7和图8可以明显的观察到本发明实施例提供的信号源空间传感方法可以重建得到更加均匀、密集的三维点云。

第三，传统结构光问题的重新定义，如图9(a)和9(b)所示，结构光系统中投影机的非线性畸变会导致相机采集的图案产生偏差，从而导致信号源空间成像出错，但是本发明实施例得到的采样点均匀分布在投影机空间，十分有利于对非线性问题的研究，比传统的非线性误差建模更为简单。另外，对于结构光系统相机的校准部分，按照本发明实施例提供的方法，在投影机空间进行高质量、高分辨率二维图像重建，则校准过程不会受到相机畸变的影响，得到精度更高的校准矩阵，能够进一步提高测量精度。

第四，一维信号的二维成像，传统的线结构光以一个方向的单线光对被测物体130进行逐步扫描，相机捕获的图像只能获得光条的一维信息，而利用本发明实施例提供的信号源空间传感方法，可以将相机空间两个方向的光条映射到投影机空间，从而将信号源拓展到二维层面，得到二维图像。因此，本发明实施例提供的信号源空间传感方法不仅适用于面阵式传感，同样适用于等效面阵式传感，信号接收器140可以分别将两个一维信息映射到信号源空间，等效成二维面阵，完成信号源空间的成像。

第五，多投影机多相机的快速点云拼接，单投影机单相机结构光系统存在着测量死角的问题，即在投影机和相机的非公共区域，被测物体130的信息无法获取。但对于多相机的结构光系统，传统的相机视角三维重建，需要对两个或多个空间的三维点云进行配准，受制于点云配准的精度与计算量。利用本发明实施例提供的信号源空间传感方法进行三维重建，可以将多个相机的视角统一到同一个投影机空间，直接完成拼接的功能，精度高且速度快。

第二实施例

请参照图10，图10示出了本发明实施例提供的信号源空间传感装置200的方框示意图。信号源空间传感装置200包括第一控制模块201、第二控制模块202、坐标确定模块203及执行模块204。

第一控制模块201，用于控制器控制信号发射器向被测物体发射第一信号。

第二控制模块202，用于控制器控制信号接收器接收第二信号，其中，第二信号是第一信号经被测物体传输后得到的。

坐标确定模块203，用于控制器依据第一信号和第二信号，确定出被测物体的空间位置与信号源空间之间的坐标关系，其中，信号源空间是信号发射器发射的第一信号所在的坐标空间。

执行模块204，用于控制器依据被测物体的空间位置与信号源空间之间的坐标关系，将第二信号映射回信号源空间得到信号源空间信号以重建传感信号。

综上所述，本发明实施例提供的一种信号源空间传感方法、装置及主动式传感系统，所述主动式传感系统包括被测物体、信号发射器、控制器和信号接收器，信号发射器和信号接收器均与控制器电连接，且信号发射器和信号接收器均与被测物体对应，所述方法包括：控制器控制信号发射器向被测物体发射第一信号；控制器控制信号接收器接收第二信号，其中，第二信号是第一信号经被测物体传输后得到的；控制器依据第一信号和第二信号，确定出被测物体的空间位置与信号源空间之间的坐标关系，其中，信号源空间是信号发射器发射的第一信号所在的坐标空间；控制器依据被测物体的空间位置与信号源空间之间的坐标关系，将第二信号映射回信号源空间得到信号源空间信号以重建传感信号。从而避免信息传输过程中信号可能产生的畸变，达到更有效的主动传感或成像，突破了传统方法的瓶颈。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。