本实用新型涉及三维检测技术领域，尤其涉及用于深度数据检测系统及其红外编码投影装置。
背景技术：
近年来，三维成像技术得到蓬勃发展。目前，一种基于结构光的双目检测方案能够实时地对物体表面进行三维测量。简单地说，该方案首先向自然体表面投射带有编码信息的二维激光纹理图案，例如离散化的散斑图，由位置相对固定的两个图像采集装置对激光纹理进行连续采集，处理单元使用采样窗口对两个图像采集装置同时采集的两幅图像进行采样，确定采样窗口内匹配的激光纹理图案，根据匹配的纹理图案之间的差异，计算出投射在自然体表面的各个激光纹理序列片段的纵深距离，并进一步测量得出待测物表面的三维数据。
在匹配处理中，采样窗口越大，单次采样中包含的图案信息量也越大，因此也越容易进行匹配，但会导致得到的深度图像颗粒度越大。相应地，采样窗口越小，图像的颗粒度越精细，但误匹配率也越大。
随着消费级三维相机时代的到来，如何以更低成本、更高精度以及更小体积实现三维信息，尤其是深度信息的精确获取，成为业内所面临的问题。
技术实现要素：
为了解决上述至少一个问题，本实用新型提出了一种深度数据检测系统及其红外编码投影装置。红外编码投影装置通过引入驱动结构来实现红外纹理投射角度的变化，深度数据检测系统可以融合不同投射角度下获取的图像信息，从而在确保匹配置信度的同时，以更小的采样窗口实现双目图像的精细匹配，由此实现更为精细的深度图像检测。
根据本实用新型的一个方面，提出了一种红外编码投影装置，包括：激光发生器，用于发射红外激光；布置在所述激光的出射光路上的衍射光学元件，用于生成带纹理的红外光束；用于固定所述激光发生器和所述衍射光学元件的固定结构；以及连接至所述固定结构的驱动装置，用于改变所述红外光束的出射方向。
由此，通过驱动装置的简单附加，就能够实现红外光束的多方向出射，由此为后续的数据融合处理提供可能。
优选地，驱动装置可以是音圈(VCM)马达、微机械(MEMS)马达、或是微型步进驱动(SMD)马达，用以使得所述激光发生器和所述衍射光学元件沿着所述驱动装置的驱动轴摆动，或是根据所述驱动装置的驱动齿轮拨动，或是以其他恰当的方式运动。由此在保持装置小型化的同时，确保驱动的精度。
优选地，固定结构可以是包围所述激光发生器的至少部分并使得所述红外光束能够出射的壳体，驱动马达则可以相应地包括围绕所述壳体的线圈以及布置的所述线圈两侧的磁体，从而以更为紧凑的形式实现对出射角度的精准控制。上述结构可以一并包括在留有使得所述红外光束能够出射的开口的外壳内，以方便实现带角度改变功能的投影装置的一体化。
激光发生器可以是激光二极管，相应地，衍射光学元件可以具有通过光学微加工技术构成的表面微结构，用于使得入射激光发生衍射并使其被调制成具有特定投射规则的离散光斑。作为替换，激光发生器可以是用于发射多点激光阵列的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，而衍射光学元件具有复制入射的所述多点激光阵列以得到周期性离散光斑的表面结构。
根据本实用新型的另一个方面，公开了一种深度数据检测系统，包括：如上任一项所述的红外编码投影装置，具有多种工作模式，在每一种工作模式下以所述驱动装置驱动不同的投射角度向被测空间投射带有纹理的红外光束，以在被测空间中的待检测物体上形成随机分布的红外纹理；位于所述红外编码投影装置两侧的两个红外光图像传感器，用于分别对所述被测空间成像，从而形成两个红外纹理图像，所述两个红外光图像传感器之间具有预定相对空间位置关系，从而使得能够基于所述红外纹理中同一个纹理片段在所述两个红外纹理图像中相对应地形成的纹理片段图像的位置差异、以及所述预定相对空间位置关系，确定所述红外纹理相对于所述两个红外图像传感器的深度数据；控制器，分别与所述红外编码投影系统和所述两个红外光图像传感器连接，用于控制所述两个红外光图像传感器同步拍摄，并在所述两个红外光图像传感器每一帧曝光结束后，将所述红外编码投影系统切换到下一工作模式。
由此，多种工作模式下确定的待检测物体上的红外纹理的深度数据包括了待检测物体上较多位置的深度信息，因此，将融合多种工作模式下所确定的深度数据后得到的新的深度数据作为待检测物体的深度数据，可以更加准确地反映待检测物体的深度信息。
优选地，该系统还可以包括：控制器，分别与红外编码投影装置和两个红外光图像传感器连接，用于控制两个红外光图像传感器同步拍摄，并在两个红外光图像传感器每一帧曝光结束后，将红外编码投影装置切换到下一工作模式。
由此，使得两个红外光图像传感器可以采集到不同工作模式下的待检测物体的图像。
本实用新型的深度数据检测系统通过简单附加于红外编码投影装置的驱动结构，能够方便地获取待检测物体上较多位置处的深度数据，使得最终得到的深度数据可以更加全面地反映待检测物体的深度信息。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1和2示出了根据本实用新型的一个实施例的红外编码投影装置的透视图。
图3A和3B示出了根据本实用新型的一个实施例的带外壳的红外编码投影装置的透视图。
图4示出了根据本实用新型一个实施例的深度数据检测系统的示意性方框图。
图5示出了根据本实用新型另一个实施例的深度数据检测系统的示意性方框图。
图6A和6B示出了现有技术和使用本实用新型原理的深度数据检测系统获得的深度数据的对比图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
传统的图像拍摄方法只能获得物体的二维信息，无法得到物体的空间深度信息，而利用结构光和成像装置(例如，成像镜头)进行深度测量的方法非常有效。该方法所需计算量较小，精度较高且能用于亮度较小的场所。因此，越来越多的三维测量方案选择结构光，尤其是带纹理的红外光束结合双目成像装置实现对目标深度信息的测量。
在使用红外纹理双目成像的深度测量方案中，由相对位置固定的两个图像采集装置对激光纹理进行连续采集，处理单元使用采样窗口对两个图像采集装置同时采集的两幅图像进行采样，确定采样窗口内匹配的激光纹理图案，根据经匹配的纹理图案之间的差异，计算出投射在自然体表面的各个激光纹理序列片段的纵深距离，并进一步测量得出待测物表面的三维数据。在匹配处理中，采样窗口越大，单次采样中包含的图案信息量也越大，因此也越容易进行匹配，但会导致得到的深度图像颗粒度越大。相应地，采样窗口越小，图像的颗粒度越精细，但误匹配率也越大。
为了解决图像颗粒度与匹配率之间的矛盾，本实用新型通过为同样大小的窗口提供更多的信息量来确保小窗口采样的高匹配置信度。可以对从不同位置或是不同角度投射的红外纹理进行重复拍摄，以便包括待检测物体上较多位置的深度信息，随后融合重复拍摄的图像信息来求取待检测物体的深度数据，由此能够以更加精细的粒度再现待检测物体的深度(三维)图像。进一步地，相比于布置多个红外单元来从不同位置进行投射，使用单个红外投影单元在相同位置上以不同角度进行投射，更加符合当前深度检测系统的小型化发展需求，例如，并入便携式设备，如智能手机。
由此，本实用新型首先涉及了一种适用于小窗口采样的、能够提供多角度能力的红外编码投影装置。图1示出了根据本实用新型一个实施例的投影装置的透视图。如图1所示，红外编码投影装置1可以包括激光发生器(未示出)、衍射光学元件10、固定结构20以及至少部分连接至所述固定结构的驱动装置30。
激光发生器优选可以是激光二极管，用于发射红外激光。衍射光学元件10被布置在激光的出射光路上的，用于生成带纹理的红外光束。固定结构20则用于固定激光发生器和衍射光学元件10。
虽然在图示的例子中，固定结构是包围所述激光发生器并使得红外光束能够出射的壳体20，并且激光发生器被包围在壳体20内不可见，但本领域技术人员应该理解的是，固定结构20也可以按其他方式使得激光发生器和衍射光学元件10保持相对固定，只要其为激光发生器的供电以及红外光束的出射留有开口即可。
衍射光学元件10可以是衍射光学元件表面，例如，可以直接位于壳体20开口盖板的外侧。在一个实施例中，激光发生器可以是激光二极管。激光二极管发射的单束激光可以经准直后入射衍射光学元件表面，该表面可以具有通过光学微加工技术构成的表面微结构，用于使得入射激光发生衍射并使其被调制成具有特定投射规则的离散光斑。由此在不额外增加投影装置体积和设计难度的同时实现对投射纹理的精确控制。在另一个实施例中，激光发生器可以是用于发射多点激光阵列的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，而衍射光学元件10则可具有复制入射的所述多点激光阵列以得到周期性离散光斑的表面结构。
在激光发生器和衍射光学元件10之间还可以可选地布置准直装置，例如准直透镜，用于准直激光发生器的出射光。在激光发生器和衍射光学元件10之间还可以可选地布置方向改变结构，例如直角棱镜，用于改变激光发生器出射激光的方向，以满足具体的布置需要。
在图1所示的例子中，驱动装置是音圈(VCM)马达30。该音圈马达30包括围绕壳体20的线圈31、布置的线圈两侧的磁体32、以及用于推动所述壳体运动的弹簧33。在具体使用中，可以对线圈(例如，铜线圈)31进行通电，并依据线圈内电流的大小与方向对弹簧33施加给壳体20的力矩大小和方向进行控制。图中示出了四片弹簧33，其一侧分别连接至两个磁体32的上下端，另一侧连接至壳体。可以通电使得磁体32产生如箭头所示的推力F(z轴方向)，上述推力通过弹簧33传递以使得壳体20绕轴向A(x轴方向)旋转，由此实现红外光束在与x轴垂直的yz平面上的角度变换出射，例如在摆动角α的范围内出射。
音圈马达的具体工作原理是本领域周知的，在此不再赘述。虽然音圈马达能够以极低的功耗和相对简单紧凑的结构实现对旋转方向的精确控制，但其往复性较差，因此在这里也可以使用本领域周知的其他微型马达以相同或不同的方式驱动红外投影装置的角度变换。驱动装置30例如可以使得激光发生器和衍射光学元件10(由此，使得出射的激光纹理)沿着驱动装置30的驱动轴摆动，跟随驱动装置的驱动齿轮的拨动而摆动，或以其他方式变换红外纹理的出射角度。驱动装置30也可以是其他的微型马达，例如微机械(MEMS)马达，或是微型步进驱动(SMD，Stepping Motor Driver)马达。
根据具体实现的不同，出射角度的变换可以是连续的，例如图1所示的情况，也可以是固定的，例如齿轮驱动的情况。出射角度的变换范围也取决于驱动装置的具体设置。在图1所示的情况下，红外编码投影装置的摆动角α例如可以是30°，即，左右各15°的摆动范围。
如上结合图1示出了根据本实用新型一个实施例的红外编码投影装置的透视图，显而易见的是，可以对上述结构进行本实用新型公开范围的各类修改，例如图2示出了与图1所示装置相类似的灰度图，不同之处在于图2还包括用于向位于壳体20内部的激光发生器供电的(软)排线40。为了清楚显示，图2中略去了半边的排线、磁体和弹簧。另外，出于完整性和安装便利性的考虑，上述装置还可以包括用于包围激光发生器和驱动装置的至少部分并使得红外光束能够出射的外壳50。图3A和3B分别示出了根据本实用新型的一个实施例的带外壳且具有软排线的红外编码投影装置的透视图和剖视图。同样为了清楚显示，图3B中略去了半边的排线、磁体、弹簧和壳体。
如上结合图1-3描述的可以变换出射角度的红外编码投影装置可进一步用于深度数据检测系统，其通过对红外纹理的多角度投射，能够获取待检测物体上较多位置处的深度数据，从而使得基于本实用新型得到的深度数据可以更加全面地反映待检测物体的深度信息。
图4示出了根据本实用新型一个实施例的深度数据检测系统的示意性方框图。如图4所示，本实用新型的深度数据检测系统包括红外编码投影装置1、第一红外图像传感器2、第二红外图像传感器3以及处理器4。
如上所述，红外编码投影装置1能够以不同的角度向被测空间投射带有纹理的红外光束，以在被测空间中的待检测物体上形成随机分布的红外光纹理。其中，红外编码投影装置1投射的红外光束所携带的纹理可以是随机散斑纹理，也可以是采用De Bruijn(德布鲁因序列)序列的条纹编码纹理，当然还可以是其它形状的纹理。
红外编码投影装置1具有多种工作模式，在不种工作模式下红外编码投影装置1以不同的投射角度向被测空间投射带有纹理的红外光束，以使得在不同的工作模式下，被测空间中的待检测物体上可以形成具有不同分布的纹理图案，即不同工作模式下，投射在待检测物体上的多个纹理片段分布在待检测物体上不同的位置。由于衍射光学元件10的衍射结构以及与激光发生器之间的相对位置保持不变，因此红外编码投影装置1在不同工作模式下所投射的红外光束所携带的纹理信息是相同的。
红外编码投影装置1位于两个红外图像传感器之间，例如，位于两传感器连线的中点上。该第一红外图像传感器2和第二红外图像传感器3之间具有预定的相对空间位置关系，对于红外编码投影装置1所处的每一种工作模式，第一红外图像传感器2和第二红外图像传感器3都可以对被测空间进行拍摄，以获取不同工作模式下被测空间中待检测物体的图像。其中，第一红外图像传感器2和第二红外图像传感器3所获取的图像是由带有纹理的红外光束投射到待检测物体上而形成的红外纹理图像。由于不同工作模式下，红外编码投影装置1以不同的投射角度投射红外光束，使得被测空间中的待检测物体上具有不同分布的纹理图案，因此，不同工作模式下，第一红外图像传感器2和第二红外图像传感器3获取的待检测物体的红外纹理图像中的纹理片段的分布不同。
处理器4分别与第一红外图像传感器2和第二红外图像传感器3连接，可以获取第一红外图像传感器2和第二红外图像传感器3拍摄得到的多种工作模式下的红外纹理图像，通过处理得出不同工作模式下的红外纹理图像中各个纹理片段的深度数据。
对于每一种工作模式来说，处理器4根据两个红外光图像传感器之间的预定相对空间位置关系、基于待检测物体上红外纹理中同一个纹理片段在两个红外纹理图像中相对应地形成的纹理片段图像的位置差异，可以确定该纹理片段的深度数据。由此，处理器4可以确定待检测物体上多个纹理片段的深度数据，即确定待检测物体上的红外纹理相对于两个红外光图像传感器的深度数据。由此，处理器可以得到不种工作模式下待检测物体上各个纹理片段的深度数据。由于不同工作模式下待检测物体上的纹理片段的分布不同，因此处理器4可以融合不种工作模式下所确定的待检测物体上的各个纹理片段的深度数据，将融合后的深度数据作为待检测物体的深度数据。
具体地，由于通过多角度投射多次拍摄能够获得比单次投射单次拍摄更为丰富的深度信息，因此处理器4可以通过缩小采样窗口的尺寸来提升深度图像的精细程度。
在单次投射的情况下，处理器4需要使用例如21x21像素的窗口，才能以足够高的置信度来匹配第一红外图像传感器2和第二红外图像传感器3同时拍摄的例如左右两幅图像中的图案。随后，再经由经匹配图像像素之间的位置差异，确定该纹理片段的深度数据。
可以使用上述可变换投射角度的红外编码投影装置1进行多角度投射。例如，红外编码投影装置1可以在对应于垂直于该深度数据检测系统的出射面、以及左右各偏移15°这三种角度的三种工作模式下进行工作。处理器可以对同一待检测对象进行三次连续的拍摄，每次拍摄对应于红外编码投影装置1的一个角度，并将这三次拍摄得到的六幅图像进行融合处理，以得到比单次拍摄的两幅图像处理得到的精细的多的深度数据。
在一个实施例中，处理器4可以使用更小的采样窗口(例如，3x3像素)来对这三次拍摄得到的三对图像分别进行三次匹配，并且通过总体考虑这三次匹配的匹配结果，以足够高的置信度实现更为精细的小窗口匹配。换句话说，处理器4可以在每一种工作模式下，选取相同尺寸的采样窗口对两个红外纹理图像进行窗口匹配，并且根据每一种工作模式下的窗口匹配结果，确定最终的匹配结果。图6A和6B分别示出了现有技术中使用单次投射以及相应的大窗口匹配得到的深度图像以及根据本实用新型实施例使用多角度投射以及相应的小窗口匹配得到深度图像的例子。图中可见精细度的显著提升。
在一个优选实施例中，可以通过峰值数据匹配来实现上述高置信度的小窗口匹配。具体地，可以求取两个红外纹理图像在同一采样窗口内的图像像素(例如，由灰度值表征)的差值，差值代表相似度。每个工作模式下，对窗口各个像素相似度进行求和，并对各个工作模式下的相似度求和，可以得到一个cost值。在各个可能的匹配位置寻找cost峰值，峰值最大的位置可认为匹配成功。相似度差值可以是绝对值差，或者差值平方，或者其他一些像素相似度评估方法。由此，能够通过简单的峰值匹配还实现数据融合，由此以极低的计算代价实现高精度的深度数据检测。
在对数据进行处理的过程中，可以将两个图像传感器的光学成像中心的连线作为基线方向，此时，每种工作模式下，待检测物体上同一个纹理片段在两个红外纹理图像中相对应地形成的纹理片段图像的位置差异在基线方向上。
图5示出了根据本实用新型另一实施例的深度数据检测系统的示意性方框图。如图5所示，本实用新型的深度数据检测系统除了包括图1中全部结构外，还可以可选地包括控制器5。
控制器5分别与红外编码投影装置1和两个红外光图像传感器(第一红外光图像传感器2、第二红外光图像传感器3)连接，可以控制两个红外光图像传感器同步拍摄，并且控制器5可以切换红外编码投影装置1的工作模式，使得两个红外光图像传感器每一帧曝光(拍摄)完成后，可以将红外编码投影装置1切换到下一工作模式。
具体地说，控制器5可以通过向两个红外光图像传感器发送触发信号来触发两个红外图像传感器同步成像，并通过向红外编码投影装置1发送切换信号来切换红外编码投影装置1的工作模式，其中，触发信号与切换信号可以同步发送。
这样，红外编码投影装置1可以响应于切换信号切换到下一个工作模式，而第一红外光图像传感器2和第二红外光图像传感器3可以同时响应于接收到控制器5发出的触发信号，对下一个工作模式下的被测空间进行成像。
进一步地，红外编码投影装置1中的激光发生器的发光频率(发射红外光的脉冲频率)可以是红外图像传感器的帧频的整数倍，这样，为红外光发生器和红外图像传感器同步工作提供了基础。进一步地，激光发生器的发光频率可以设置成较高的一个数值(如可以大于100HZ)，这样，激光发生器发出的光相对于图像传感器来说基本是恒定的。
上文中已经参考附图详细描述了根据本实用新型的投影角度可变的红外编码投影装置以及配合使用该装置的深度数据检测系统。
以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。