一种三维测距成像的系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及三维信息探测成像技术领域，尤其涉及一种利用压缩感知方法、单像 素探测器和立体光强分布的方式进行三维测距成像的系统及方法。
【背景技术】
[0002] 光学主动三维成像技术是对目标进行三维定位的关键技术，在生物医学、机器视 觉、地理遥感等领域广泛应用，例如SaraAJones等利用三维成像技术实现了对活体细胞 的实施测量；SergioA.R.F.等将激光雷达作为辅助手段应用于城市中车辆目标的跟踪和 识别；高精度的三维成像系统在构建地理信息系统等发挥了重要作用；而量子噪声或散粒 噪声，最终限制了三维成像测量精度，在主动照明光能量有限时，三维成像系统的分辨率、 准确性等将受到光强探测器和光能利用率的限制。
[0003] 2006 年，D.L.Donoho提出了压缩感知（CompressiveSensing，CS)，该理论的基础 是待测信号具有可压缩性：信号本身或者被投影到一个新的表达空间时，其向量基的系数 集合中非零元素是稀疏的（即非零元素的数目远远小于其系数集的维度）。近年来压缩感 知在三维成像技术上的应用研宄不断涌现，其一，可利用高性能的单像素探测器，单像素相 机架构的使用能使快速三维成像系统绕开低信噪比的像增强器，而采用高性能单像素探测 器以达到光子计数测量水平。2011年JohnC.Howell等利用单像素相机和时间飞行法结 合，实现了 〇. 5皮瓦的低接收光强水平的具有256X256横向分辨率的单光子三维成像系 统，并实现了 32X32像素的14帧率的录像功能；其二，可减少测量次数提高测量速度。2011 年Wm.RandallBabbitt等通过发射脉冲和接收器的伪随机二进制编码实现了压缩感知激 光测距，样机通过24次780KHz采样率的AD测量获得了 40米内3个目标0. 3米的分辨率。 2012年浙江大学的张秀达、严惠民等在门选通三维测距成像方法基础上，对门选通序列的 时间函数进行伪随机编码，通过压缩感知方法测量距离维度上的多个目标，把系统测量速 度提高了 10倍。值得注意的是，这些研宄结果还证明了三维目标信息在横向和轴向都具有 可压缩性，本发明为了简化三维测距的硬件系统构成以及改进三维测距成像的性能，提出 一种对三维信息进行同步压缩感知测量，利用单像素光强探测器的主动照明式的三维测距 成像的系统及方法。
【发明内容】
[0004] 本发明针对上述现有技术中存在的不足，提供一种简化三维测距的硬件系统构成 以及改进三维测距成像性能的三维测距成像的系统和方法。
[0005] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0006] 一种三维测距成像的系统，包括数字处理器、光源、立体光强照明装置、光信号接 收光学装置、单像素光强探测器、AD转换电路以及数据采集装置，其中：
[0007] 数字处理器，通过光源连接立体光强照明装置或者直接连接立体光强照明装置， 所述数字处理器用以控制立体光强照明装置将光源的光按照已知的立体分布数据进行三 维光强投影，具有立体光强分布的光信号在三维空间遇到待测目标物体后反射；
[0008] 光信号接收光学装置，连接单像素光强探测器，光信号接收光学装置用以收集反 射的光信号；
[0009] 单像素光强探测器，连接AD转换电路，单像素光强探测器用以将光信号接收光学 装置所收集的光信号集中并将其转换为电信号；
[0010] AD转换电路，连接数据采集装置，AD转换电路用以实现将电信号转变为数字信 号；
[0011] 数据采集装置，连接数字处理器，数据采集装置用以采集数字信号，并将数字信号 回传至数字处理器中并由数字处理器进行存储，至此完成一次探测；
[0012] 在每一次探测时数字处理器采用不同的已知的立体分布数据，最终经过探测次数 小于三维空间中平面像素乘以距离分布像素之积的探测次数，再利用数字处理器所存储的 数字信号数据在数字处理器中进行信息处理最终获得待测目标物体的三维测距图像；其中 所述的单像素光强探测器的带宽大于系统完成一次探测的时间间隔的倒数。
[0013] 较佳地，所述的数字处理器可以是个人计算机、嵌入式系统或者是带一定存储空 间的DSP装置。
[0014] 较佳地，所述的立体光强照明装置由多个投影仪组成，其对应的连续光源为非相 干光源。
[0015] 较佳地，所述的立体光强照明装置由全息片组成，其对应的连续光源为相干光源。
[0016] 较佳地，所述的全息片为旋转全息片或者可控数字全息片。
[0017] 较佳地，所述的光信号接收光学装置为成像光学系统或者是能量收集光学系统。
[0018] 一种基于上述系统的成像方法，包括如下步骤：
[0019] 一、数字处理器控制立体光强照明装置将光源的光按照已知的立体分布数据进行 三维光强投影，具有立体光强分布的光信号在三维空间遇到待测目标物体后反射；
[0020] 二、在步骤一中所反射的光信号由光信号接收光学装置进行收集；
[0021] 三、光信号接收光学装置所收集到的光信号由单像素光强探测器集中并将其转换 为电信号；
[0022] 四、电信号由AD转换电路转变为数字信号；
[0023] 五、数字信号由数据采集装置采集将其回传至数字处理器中并由数字处理器进行 存储，至此完成一次探测；
[0024] 在每一次探测时数字处理器采用不同的已知的立体分布数据，最终经过探测次数 小于三维空间中平面像素乘以距离分布像素之积的探测次数，再利用数字处理器所存储的 数字信号数据在数字处理器中进行信息处理最终获得待测目标物体的三维测距图像；其中 所述的单像素光强探测器的带宽大于系统完成一次探测的时间间隔的倒数。
[0025] 具体地说，本发明的三维测距成像原理在于：投影到探测空间的立体光强分布， 在轴向上的某个目标成像面上是一个已知的伪随机分布二维平面点阵，构成该点阵的光分 布，由于离焦作用在轴向其他的非目标成像面上快速模糊化，从而失去原伪随机分布信息， 多个目标距离二维平面点阵分布叠加最终形成一个伪随机立体光强分布矩阵，光信号经过 待测三维目标物体反射后，经过光信号接收光学装置接收并输入到单像素光强探测器，获 得相应的一次探测值，从而完成压缩感知方法中的一次探测过程，经过多次探测后，伪随机 立体光强分布的集合组成压缩感知方法中所需的伪随机测量矩阵，对应的探测值集合组成 压缩感知方法中所需的测量向量，最终通过一次解压缩感知方程后，可重构出待测目标的 三维信息矩阵，获得目标物体的三维分布图像。
[0026] 需要说明的是，关于"立体光强分布"和"伪随机立体光强分布"的定义解释和相 互关系："立体光强分布"在本发明中指主动照明的一种光强分布形式，是一种在探测空间 上立体的光强分布形式，例如三维点阵，它显著区别于目前常用的结构光测量三维中所用 的二维结构光（平面上强度的相位调制投影）；而"伪随机立体光强分布"则是"立体光强 分布"中的一种实现形式，是一种光强在三维空间的伪随机分布，用于实现压缩感知原理中 的对未知目标进行探测的伪随机测量矩阵；另外一种与之对应的实现形式是"目标特征具 体化立体光强分布"，适用于在三维场景中对已知的兴趣目标（如坦克、飞机等）追踪或定 位成像；本发明中"立体"与"三维"含义一致，都表示在自然界三维坐标中的空间范围。
[0027] 采用了上述技术方案的本发明的设计思想及有益效果是：
[0028] 本发明提供一种改进三维测距成像的性能以及简化三维测距的硬件系统构成的