误差校正系统及其方法与流程

本发明涉及一种适于光学测量技术的误差校正系统及其方法，且特别涉及一种基于飞行时间测距的误差校正系统及其方法。

背景技术：

随着科技的发展，光学三维测量技术已逐渐成熟，其中飞行时间(timeofflight，tof)测距是目前一种常见的主动式深度感测技术。tof测距技术是发出经调制过的调制光(例如红外光)，调制光遇物体后反射，再从被物体反射的调制光的反射时间差或相位差来换算被拍摄物体的距离，以产生深度信息。

然而，tof测距技术需考虑到多种误差校正，其中一种误差来源是由于奇次谐波所带来的周期性误差，称为摆动误差(wigglingerror)。常见的摆动误差校正方法往往步骤繁琐，因为摆动误差会与物体的距离有关，因此测量过程可能需要较大的空间架设误差校正系统或是针对不同的距离进行多次测量，费时又费力。因此如何提供一种简便而有效的误差校正方法也成为目前待解决的问题之一。

技术实现要素：

本发明提供一种基于飞行时间测距的误差校正系统及其方法，其有助于降低测量次数以及系统体积，可简化误差校正过程。

本发明实施例的一种基于飞行时间测距的误差校正系统，包括l形校正板与距离检测装置。l形校正板具有底板与连接的侧板，其中底板上具有多个目标区。距离检测装置配置于拍摄位置上，包括：调制光发射器、调制光接收器与处理器。调制光发射器用以根据第一信号发射调制光，其中调制光斜向照射到底板。调制光接收器用以接收被这些目标区反射的调制光以产生感测信号。处理器耦合调制光接收器，根据感测信号产生摆动误差校正曲线。

本发明实施例的一种基于飞行时间测距的误差校正方法，适用于误差校正系统，其中误差校正系统包括l形校正板与距离检测装置，距离检测装置配置于拍摄位置，l形校正板包括底板与连接的侧板。误差校正方法包括：获得l形校正板的底板上的多个目标区至拍摄位置的多个实际距离；通过距离检测装置发出调制光斜向照射底板，并且接收被这些目标区反射的调制光以产生感测信号；通过距离检测装置根据感测信号计算这些目标区的多个测量距离；以及通过距离检测装置比较这些测量距离与这些实际距离以产生摆动误差校正曲线。

基于上述，本发明实施例的基于飞行时间测距的误差校正系统与方法，距离检测装置发出调制光斜向照射l形校正板的底板并接收被底板上的多个目标区反射的调制光以产生感测信号，距离检测装置可以根据感测信号来计算到这些目标区的距离，进而一次性计算距离检测装置在这些不同距离上的摆动误差。因此，本发明的实施例可以在有限的系统空间中一次就能得到对应不同距离的多笔校正数据，可大幅降低测量次数以快速的建立摆动误差校正曲线。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明的实施例的一种基于飞行时间测距的误差校正系统的示意框图。

图2a是依照本发明的实施例的一种误差校正系统的架构示意图。

图2b是依照本发明的实施例的一种底板的示意图。

图3a是依照本发明的实施例的一种调制光接收器的电路示意图。

图3b是依照本发明图3a的实施例的信号波形示意图。

图4是依照本发明的实施例的一种参考相位与等效飞行距离的关系示意图。

图5是依照本发明的另一实施例的一种误差校正系统的架构示意图。

图6是依照本发明的又一实施例的一种误差校正系统的架构示意图。

图7是依照本发明的再一实施例的一种误差校正系统的架构示意图。

图8是依照本发明的实施例的一种误差校正方法的流程图。

具体实施方式

图1是依照本发明的实施例的一种基于飞行时间测距的误差校正系统的示意框图。请参照图1，误差校正系统10包括距离检测装置100与校正平面ta。距离检测装置100用以测量到校正平面ta的距离。距离检测装置100包括调制光发射器110、调制光接收器120、处理器130、信号处理单元140与内存150。

信号处理单元140耦合调制光发射器110与调制光接收器120。信号处理单元140用以提供第一信号ms给调制光发射器110。调制光发射器110根据第一信号ms发出调制光em。调制光em会被校正平面ta反射，被反射的调制光rem由调制光接收器120接收。信号处理单元140还会提供控制信号cs至调制光接收器120。调制光接收器120根据控制信号cs与被反射的调制光rem产生感测信号ds。处理器130从调制光接收器120接收感测信号ds，且根据感测信号ds来进行误差校正或距离测量。

调制光发射器110例如是激光二极管，调制光em例如红外光，但不以此为限。调制光接收器120例如为摄像装置或光源感应装置。

以下将举实施例详细说明基于飞行时间测距的误差校正系统与方法的实施方式。图2a是依照本发明的实施例的一种误差校正系统的架构示意图，请同时参考图1及图2a，误差校正系统20包括距离检测装置100与l形校正板200。

在图2a的实施例中，l形校正板200包括底板bb与连接底板bb的侧板sb，其中底板bb上有多个目标区p1、p2、p3…pn。底板bb或侧板sb可视为图1中将调制光em反射的校正平面ta。距离检测装置100配置在拍摄位置cp上，调制光发射器110根据第一信号ms发出调制光em以照射l形校正板200，特别是斜向照射底板bb，例如光线r1照射目标区p1，光线r2照射目标区p2，以此类推。调制光接收器120用以接收被这些目标区p1～pn反射的调制光。处理器130耦合调制光接收器120，从调制光接收器120接收感测信号ds来产生摆动误差校正曲线。

详细来说，l形校正板200的底板bb配置x方向上，侧板sb配置在y方向上。底板bb是l形校正板200的长边，侧板sb是短边，这些目标区p1～pn在x方向上配置在不同位置使得到调制光接收器120的距离不相同。在另一实施例中，l形校正板200的底板bb与侧板sb可以不必垂直，两者之间可以夹一锐角或一钝角。本发明不限制校正板的形状与长度。

特别说明的是，目标区p1～pn到调制光接收器120的距离以落在调制光接收器120的准焦范围内为佳。举例来说，当调制光接收器120的准焦范围在30cm(公分)至无穷远时，调制光接收器120与目标区p1之间的距离大于等于30cm。

距离检测装置100的拍摄位置cp是位于底板bb的上方(正y方向)并且相对于侧板sb(远离侧板sb的方向)，如此一来，距离检测装置100所发出的调制光em可以同时照射侧板sb与底板bb。

图2b是依照本发明的实施例的一种底板的示意图。请搭配图2b参照图2a，在图2b的实施例中，底板bb为吸光面，而目标区p1～pn是预先标示在底板bb的反射区，底板bb上除了目标区p1～pn外的部分都是吸光区域ab。如此一来，只有照射到这些目标区p1～pn的光线r1～rn才会被反射并被调制光接收器120接收。在另一实施例中，底板bb也可以具有棋盘状或其它图案，以图案上的特征点作为目标区p1～pn，本发明并不限制目标区的实施样式。

调制光发射器110所发出的调制光em是根据第一信号ms而产生的调制光。例如，第一信号ms为脉冲信号，第一信号ms上升的边缘对应调制光em的触发时间。信号处理单元140也会同时输出控制信号cs给调制光接收器120，调制光接收器120根据控制信号cs与被反射的调制光rem来产生感测信号ds。

图3a是依照本发明的实施例的一种调制光接收器的电路示意图，图3b是依照本发明图3a的实施例的信号波形示意图。请继续参照图3a与图3b，调制光接收器120包括光电传感器122、电容ca、电容cb、开关sw1与开关sw2。光电传感器122例如是光电二极管(photodiode)或具有感测被反射的调制光rem功能的其他组件。光电传感器122一端接收公共参考电压，例如接地gnd，另一端耦合开关sw1与开关sw2的其中一端。开关sw1的另一端通过节点na耦合电容ca且受控于控制信号cs的反相信号csb。开关sw2的另一端通过节点nb耦合电容cb且受控于控制信号cs。调制光接收器120输出节点na上的电压(或电流)信号va与节点nb上的电压(或电流)信号vb作为感测信号ds。在另一实施例中，调制光接收器120也可以选择输出电压信号va与电压信号vb的差值作为感测信号ds。

图3a的实施例仅作为举例说明，调制光接收器120的电路架构并不限于此。调制光接收器120可以具有多个光电传感器122，或是更多电容或开关。本领域的一般技术人员可依据通常知识与实际需求而做适当调整。

在图3b的实施例中，当反相控制信号csb为低电平(例如，逻辑0)时，开关sw1导通，此时控制信号cs会处于高电平(例如，逻辑1)，开关sw2不导通。反之，当控制信号cs为低电平(例如，逻辑0)时，开关sw2导通，此时反相控制信号csb处于高电平(例如，逻辑1)，开关sw1不导通。另外，光电传感器122导通的时候就表示光电传感器120接收到被反射的调制光rem。当光电传感器122与开关sw1都导通时，电容ca进行放电(或充电)，图3b中的qa表示电容ca所改变的电荷量，节点na上的电压信号va会相应地改变。当光电传感器122与开关sw2都导通时，电容cb进行放电(或充电)，图3b中的qb表示电容cb所改变的电荷量，节点nb上的电压信号vb会相应地改变。通过电压信号va与电压信号vb之间的差异，处理器130可以计算出控制信号cs与被反射的调制光rem之间的相位差，此相位差会对应调制光em的飞行距离。

特别说明的是，在图3b的实施例中，第一信号ms与控制信号cs同步，但信号处理单元140还可以让第一信号ms与控制信号cs之间不同步。也就是说，可以使控制信号cs与第一信号ms之间具有参考相位。信号处理单元140会依据不同的参考相位将第一信号ms或控制信号cs的相位延迟或提前，使得第一信号ms与控制信号cs具有相位差。多个参考相位例如分别为45度、90度、135度、180度、225度、270度、315度与360度。在此，这些参考相位的间隔相等(但不限制)，而这些参考相位会对应不同的飞行距离。本发明不限制参考相位的数目、大小或间距。举例来说，信号处理单元140可以使控制信号cs的相位相较于第一信号ms的相位延迟或提前45度、90度、135度、180度、225度、270度、315度或360度。信号处理单元140也可以使第一信号ms的相位相较于控制信号cs的相位延迟或提前45度、90度、135度、180度、225度、270度、315度或360度。换句话说，信号处理单元140使第一信号ms与控制信号cs之间具有相位差，其中，相位差为多个参考相位的其中之一。

特别说明的是，由于第一信号ms与控制信号cs之间具有等于多个参考相位的其中之一的相位差，处理器130根据感测信号ds所计算出来的相位差，除了包括调制光em在空间中行进跟通过平面而反射所产生的调制光rem之间的相位差外，还包括第一信号ms与控制信号cs之间的参考相位。误差校正系统20通过在第一信号ms与控制信号cs之间加入参考相位的方式可在不增加系统空间的条件下等效增加调制光em(或调制光rem)的飞行距离，实现缩小误差校正系统体积的效果。

图4是依照本发明的实施例的一种参考相位与等效飞行距离的关系示意图。举例来说，在图4的实施例中，这些参考相位为45度、90度、135度、180度、225度、270度、315度与360度。

当调制光em的调制频率是75mhz时，表示一个周期内调制光em的飞行距离是200cm(公分)。参考相位会对应不同的飞行距离。因此，每当第一信号ms与控制信号cs之间的相位差改变45度等效于飞行距离改变25cm(200cm除以8，飞行间距d为25cm)。例如，当第一信号ms与控制信号cs之间的相位差为90度等效于飞行距离增加50cm。以此类推，通过第一信号ms与控制信号cs之间的相位差来等效增加调制光em(或调制光rem)的飞行距离。

处理器130根据感测信号ds计算这些目标区p1～pn的多个测量距离，并比较这些测量距离与实际距离以产生摆动误差校正曲线，其中实际距离是由已校正距离检测装置(未显示)所测量的这些目标区p1～pn到拍摄位置cp的距离。已校正距离检测装置是指已经经过误差校正后的距离检测装置。

请搭配图2a参照图4，以拍摄位置cp与目标区p1的距离是20cm为例，当第一信号ms相较于控制信号cs被延迟45度(等效于增加飞行间距d(25cm))，相当于拍摄位置cp与目标区p1的距离增加25cm，参考图4的点mp1所示。当第一信号ms相较于控制信号cs被延迟90度，相当于拍摄位置cp与目标区p1相距70cm(20cm加50cm)，参考图4的点mp2，以此类推到图4的点mp3～mp8，其中点mp3～8分别表示距离为95、120、145、170、195、220cm。

值得一提的是这些目标区p1～pn的配置位置以使拍摄位置cp与目标区p1～pn的距离能平分飞行间距d为佳，进而让误差校正数据较均匀分布。因为通过改变第一信号ms与控制信号cs之间的相位差以达到等效增加飞行距离的功效，所以能在较短的系统长度内得到较长的飞行距离的误差校正。如此一来，l形校正板200的底板bb的长度可以不需要长达200cm，实现缩小误差校正系统体积的效果。

内存150耦合处理器130，用以存储这些目标区p1～pn至拍摄位置cp的实际距离。内存150例如是任意型式的固定式或可移动式随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、只读存储器(read-onlymemory，rom)、闪存(flashmemory)、硬盘或其它类似装置、集成电路及其组合。内存150还记录可由处理器130执行的多个指令，而处理器130可执行这些指令以完成上述的各种功能。

详细而言，处理器130可以根据感测信号ds计算相位差(或时间差)(例如，比较电压信号va与电压信号vb的差异)，以进一步计算测量距离，并且更进一步地将测量距离与实际距离比较以获得多个第一误差校正数据。例如，第一误差校正数据是这些目标区p1～pn的测量距离与实际距离的误差值。在本实施例中，距离检测装置100的使用一个参考相位的测量操作可以一次获得代表不同远近的多个目标区p1～pn的第一误差校正数据。这些目标区p1～pn在所拍摄影像上的像素坐标会不同，因此需额外考虑到像素偏移误差(phaseoffset)。特别说明的是，像素偏移误差仅与成像平面上的位置有关，而与距离无关。

调制光接收器120会进行预校正测量以建立查找表lt，查找表lt存储在内存150中并且记录调制光接收器120所拍摄影像中的各像素坐标与对应的像素偏移值。处理器130会从查找表lt获得对应这些目标区p1～pn的像素偏移值以计算摆动误差校正曲线。处理器130可以根据这些目标区p1～pn的像素偏移值以及第一误差校正数据来计算摆动误差校正曲线。

在另一实施例中，误差校正系统20中的底板bb上也可以不需要另外设置目标区图案，如图2b的圆形反射区，而是由处理器130选择像素坐标来决定目标区。

在实施例中，内存130的查找表除了存储距离检测装置100的像素偏移值外，还另外存储已校正距离检测装置的像素偏移值。内存130还存储已校正距离检测装置跟距离检测装置100的相机参数。处理器130会根据相机参数、已校正距离检测装置的像素偏移值与距离检测装置100的像素偏移值进行坐标转换以决定要使用的目标区的坐标。因此，距离检测装置100在拍摄底板bb或侧板sb后，处理器130可以选择使用拍摄影像中的哪几个像素坐标座作为目标区，并计算拍摄位置cp到目标区的距离。

图5是依照本发明的另一实施例的一种误差校正系统的架构示意图。误差校正系统40与图2a的误差校正系统20的实施方式相近，主要差别在于误差校正系统40的l形校正板400还多一个吸光隔板db。吸光隔板db配置在底板bb与侧板bs之间，用以吸收被这些目标区p1～pn第一次反射的调制光。通过设置吸光隔板db可以降低因为被多次反射的调制光em而产生的影响。

图6是依照本发明的又一实施例的一种误差校正系统的架构示意图。误差校正系统50与图2a的误差校正系统20的实施方式相近，主要差别在于l形校正板500的底板bb包括多个三角形组件t1、t2、t3…tn，目标区p1～pn分别位在这些三角形组件t1～tn的斜面上。三角形组件t1～tn的斜面相对于底板bb的延伸方向(x方向)具有倾斜角并且随着目标区p1～pn的配置位置而具有不同的角度。三角形组件t1～tn的斜面用以降低调制光rm的入射角度。例如三角形组件t1可以让光线r1呈现正向入射目标区p1的状态，三角形组件t2可以让光线r2呈现正向入射目标区p2的状态，以此类推。

图7是依照本发明的再一实施例的一种误差校正系统的架构示意图。图7的实施例可适用于上述的实施例。误差校正系统60的距离检测装置100所发出的调制光em具有视野范围fv(fieldofview,fov)。这些目标区p1～pn相对于调制光接收器120的最远距离以及最短距离落在调制光接收器120的视野范围内。侧板sb也落在视野范围内，也就是说调制光em还照射到侧板sb。调制光接收器120可以接收被侧板sb反射的调制光。处理器130根据被侧板sb反射的调制光产生验证距离，并进一步与侧板实际距离比较以验证距离检测装置100的精确度。上述的侧板实际距离是由已校正距离检测装置所测量的距离。对于如何测量到侧板sb的距离，以及侧板sb上的目标区的实施方式可参考上述实施例的说明，本领域的一般技术人员可从上述说明获致足够的教示与建议，在此不再加以赘述。

值得一提的是，本实施例的误差校正系统60可以同时具有误差校正以及验证两种功能。在计算出距离检测装置100的摆动误差校正曲线后，距离检测装置100还可以进一步进行验证动作，以确定距离检测装置100校正后的精确度。

图8是依照本发明的实施例的一种误差校正方法的流程图。图8的误差校正方法可适用于上述图1至图7的实施例。以下搭配图2a组件说明误差校正方法的流程。

在步骤s710中，获得l形校正板200的底板bb上的多个目标区p1～pn至拍摄位置cp的多个实际距离。具体来说，可以通过一台已校正距离检测装置来获得实际距离，已校正距离检测装置是指已经经过误差校正后的距离检测装置。也可以通过其它方式来获得实际距离，本发明不限制如何获得实际距离的手段。这些实际距离会被存储在距离检测装置的内存中。

在步骤s720中，由距离检测装置100发出调制光em斜向照射l形校正板200(例如底板bb)，并且接收被这些目标区p1～pn反射的调制光以根据控制信号cs产生感测信号ds。接着，在步骤s730中，由距离检测装置100根据感测信号ds计算这些目标区p1～pn的多个测量距离，在步骤s740中，比较这些测量距离与这些实际距离以产生摆动误差校正曲线，其中这些测量距离是指这些目标区p1～pn至拍摄位置cp的距离。

本实施例的误差校正方法的相关组件特征以及具体实施方式，可从上述图1～7实施例的说明获致足够的教示、建议以及实施说明，因此不再赘述。在另一实施例中，获得实际距离与测量距离的顺序可以交换，本发明并不限制。

综上所述，本发明实施例的基于飞行时间测距的误差校正系统与方法通过调制光斜向入射l形校正板的底板上的多个目标区，并根据感测信号ds产生摆动误差校正参数，其中感测信号ds可以反应包括多个参考相位的飞行距离。通过在同一个底板上设置多个对应不同距离的目标区来得到更多的误差校正数据。因此，本发明的实施例的误差校正系统与方法可以降低测量次数并且降低变动架构配置关系的机会，以快速方便地建立摆动误差校正曲线。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的一般技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定者为准。