适用于高速移动目标的图像采集方法与系统与流程

本发明涉及图像采集与处理技术领域，尤其是对高速移动对象的图像采集，具体涉及适用于高速移动目标的图像采集方法与系统。

背景技术：

目前，cmos图像传感器被用于红外摄像或3d摄像的静态图像摄取，例如静态的人脸扫描与识别、定点监控等场景下，通常能够获得理想的景深图像，但在针对高速移动目标进行动态图像获取时，由于coms感光曝光阵列扫描时间差，而cmos曝光时间是持续的，使得读取的数据延时造成图像失真，这种失真将导致图像的畸变，造成图像拍摄效果不理想，例如画面模糊或者运动拖尾等现象。同时，传统的红外激光成像也存在相邻汽车相同调制红外光谱信号的干扰问题。

现有技术中对此图像失真问题提出了多种解决手段，例如采用电子补偿或者电子阀门后处理运算来处理数据读取补偿图像失真，但由于cmos图像传感器的集成度高、结构复杂，在每个像素上集成了放大器并且大部分信号处理电路与cmos在同一芯片上制作，例如视频信号处理和静止图像处理，使得这样解决运动失真的成本和效果都打不到预期的理想效果，同时，我们看到补偿计算算法本身也具有复杂性，同样造成了效果的不理想。

技术实现要素：

本发明旨在针对现有技术存在的不足，提供一种适用于高速移动目标的图像采集方法与系统，通过在红外激光成像的结构端前加入基于近晶相铁电液晶的超高速光阀，达到在微秒成像速度下可以在瞬间位移中获得运动物体的各个位点的距离数据，基于这些距离数据从而连续重建出不畸变的景深图像。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：

适用于高速移动目标的图像采集系统，包括：

具有激光发射器、成像镜头组件以及光学接收器的ir收发模组，被设置用于生成并向被摄目标发射多条红外光束以及检测多条反射束，获取针对每个红外光束所在通道的点云信息，所述反射束的每一条对应于多条生成的红外光束之一；

图像处理系统，与所述ir收发模组耦合，被设置用于根据所述点云信息获取被摄目标的景深图像；

其中，所述光学接收器包括一cmos传感器，设置在成像镜头后方，被设置用于接收通过成像镜头组件的反射束并转换成电信号输出；

所述图像采集系统还包括：

设置于cmos传感器的感光阵列之前的铁电液晶调制光阀；以及

光阀控制单元，与铁电液晶调制光阀耦合，通过控制铁电液晶调制光阀的透射与阻挡状态来控制所述cmos传感器的感光阵列的曝光时间。

进一步的实施例中，所述光阀控制单元控制铁电液晶调制光阀的状态切换：在透射状态，所述cmos传感器曝光；在阻挡状态，所述cmos传感器不曝光。

进一步的实施例中，所述ir收发模组还包括位于ir发射通道的：

准直镜头，用于对激光发射器发射的光束进行准直汇聚；

衍射组件，用于对准直后的出射光进行散射调制，得到散斑图案；以及

光栅组件，被设置成将散斑图案进行衍射复制后，扩大投射角度，形成出射到被摄目标的红外光束。

进一步的实施例中，所述ir收发模组还包括位于ir接收通道的：

设置位于光学接收器的前方的窄带滤波组件，以允许设定波段范围的光信号通过，投射到光学接收器。

进一步的实施例中，所述铁电液晶调制光阀包括：

相互之间具有间隙的一对基底；

一对电极，其中一个电极设置在一个基底上；

以及夹在所述基底之间的间隙内的铁电液晶；

其中，基底均为透明材质，所述的一对电极分别电耦合至光阀控制单元。

进一步的实施例中，所述的电极，构造为透明电极层，分别设置在对应基底的内表面。

进一步的实施例中，所述的一对基底上，相对的一侧还设置有与基底邻接的一对偏光器。

进一步的实施例中，所述图像采集系统还包括一校正单元，所述校正单元包括一工业高清相机，用于定期拍摄被摄目标的平面图像；

所述校正单元接收工业高清相机发送的被摄目标的平面图像，选取被摄目标轮廓上的任意一个点位，将该点位与获取的被摄目标的景深图像的该点位的结果进行校对；

如果校对后的误差大于设定误差阈值，校正单元判定获取的景深图像不满足测距要求，否则，判定获取的景深图像满足测距要求。

本发明的另一方面还提出一种基于图像采集系统的图像采集方法，包括以下步骤：

ir收发模组生成并向被摄目标发射多条红外光束以及检测多条反射束，获取针对每个红外光束所在通道的点云信息，其中反射束的每一条对应于多条生成的红外光束之一；

光阀控制单元根据预设的周期控制铁电液晶调制光阀的开启与关闭，以控制cmos传感器的感光阵列的曝光时间，其中：在透射状态，所述cmos传感器曝光，接收来自成像镜头组件所采集的影像并将影像转换成电信号输出；在阻挡状态，所述cmos传感器不曝光；

图像处理系统根据ir收发模组获得的点云信息生成被摄目标的连续图像。

由以上技术方案可见，本发明提出的适用于高速移动目标的图像采集方法的显著的有益效果在于：放弃传统对高速动态目标图像采集采用补偿机制的解决思路，通过在cmos感光阵列前安装用铁电液晶制成的高速切换调制光阀，通过对光阀的高速开关切换控制，来达到对cmos感光阵列的曝光时间直接调制的目标，从而实现数据读取的一致性和图像的不畸变，改善拍摄模糊或者运动拖尾等现象，基于此对被摄目标(高速移动的车辆)拍摄后结合不同时刻的对被摄目标的点云距离位置信息，通过数据融合生成高速移动车辆的三维图像。应当理解，这样的图像采集系统尤其应用到车辆的前视、后视摄像头以及两侧后视镜的摄像。

传统的红外激光成像在静态下可以得到比较好的景深图像，但是近些年汽车自动驾驶需求强烈，需要更加快速的每帧图像成像速度，同时对成像内容的视角、图像叠加处理以及同系光谱下的抗干扰能力提出更高的要求。

本发明在红外激光成像的结构端前，加入基于近晶相铁电液晶的超高速光阀，实现微秒级别的每帧成像速度，在汽车高速行进中，仍然可以在瞬间位移中获得连续的运动物体的各个位点准确距离数据，形成准确的3d测距能力，基于这些距离数据从而连续重建出不畸变的景深图像，解决现有技术中图像不清晰清晰、拖尾现象；同时结合宽视角的红外光投射范围，可以覆盖更加宽阔的成像视野范围，替代旋转mirror的复杂结构；通过光阀成像能力，避免相邻汽车相同调制红外光谱信号的干扰，且本发明通过采用单像素的光阀结构简单，不易损坏，寿命；另外，本发明的实施例中通过工业高清相机拍摄的平面图像，对获取的景深图像的准确性进行再校对，以确保获取的景深图像能够满足测距所需。

附图说明

图1是本发明的适用于高速移动目标的图像采集系统的示意图。

图2是本发明的适用于高速移动目标的图像采集系统的光路示意图。

图3是本发明的铁电液晶调制光阀的示例性示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1-图2所示，本发明公开的实施例的适用于高速移动目标的图像采集系统，旨在通过ir发射组件(激光器)发射多条红外线(940nm)，经过被摄对象(例如高速移动的汽车，尤其是无人驾驶、自动驾驶汽车)反射后进入ir接收通道，被光接收器(本发明的各个实施例中采用cmos传感器实现)接收，通过其感光阵列进行光电转换，获取被摄对象的各个部分位置的位置数据，进行成像。

本发明的实施例中，我们通过在红外激光成像的结构端前加入基于近晶相铁电液晶的超高速光阀，实现微秒级别的每帧成像速度，在汽车高速行进中，仍然可以在瞬间位移中获得连续的图像，以形成准确的3d测距能力；通过光阀成像能力，提高相邻汽车之间调制红外光谱信号的抗干扰能力。

经过处理得到的景深图像，可存储到存储卡内、或者通过i/o接口传输，同时可输出到显示屏进行预览、展示。尤其是，本发明各方面实施例的图像采集系统被应用到车载场合下，上述传输、展示得以通过车载的电子显示屏、投影或者hub抬头显示。

前述的i/o接口包括物理上的i/o接口，例如基于usb传输协议的接口，还可以包括基于网络协议的虚拟i/o接口，例如蓝牙接口、wifi接口等。

结合图1，本发明各个实施例公开的适用于高速移动目标的图像采集系统，包括ir收发模组、图像处理系统、铁电液晶调制光阀、光阀控制单元以及控制部。

控制部210，控制整个图像采集系统运作，包括光阀控制单元对铁电液晶调制光阀的控制、ir收发模组的发射和接收红外光束、图像处理等。

ir收发模组包括ir发射通道201和ir接收通道202，通过ir发射通道和ir接收通道以分别发射和接收红外光束。具体地，通过ir发射通道生成并向被摄目标发射多条红外光束，以及通过ir接收通道接收多条反射束，获取针对每个红外光束所在通道的点云信息，通过感光元件(cmos传感器)检测反射束，进行光电转换，形成被摄目标的景深图像。

本发明的实施例中，反射束的每一条对应于多条生成的红外光束之一。前述的条红外光束被调制，例如编码调制、时间调制或者空间调制。

结合图1、图2所示，ir收发模组具有激光发射器10、成像镜头组件22以及光学接收器20。

激光发射器10，设置在发射通道中，例如采用940nm近红外激光模组，生成并发射940nm的红外光束。

成像镜头组件22设置在ir接收通道202中，位于光学接收器20与铁电液晶调制光阀30之间。

成像镜头组件22，可采用由多组透镜形成的镜头组实现，通过镜头座、固定圈以及音圈马达等组合实现。

光学接收器20，优选包括一cmos传感器(红外cmos传感器)，检测经过被摄目标后返回的反射束，进行光电转换输出电信号。

图像处理系统，与ir收发模组耦合，被设置用于根据点云信息获取被摄目标的景深图像。尤其是在对高速移动目标的图像获取过程中，通过前述铁电液晶调制光阀的超高速切换，控制cmos传感器的曝光，以实现对高速移动过程中获得连续的图像，形成准确的3d测距能力，满足自动驾驶、无人驾驶的要求。

应当理解，在获得点云信息数据后，通过例如现有的三维图像重建算法进行图像数据融合，得到被摄目标的景深图像。

结合图示，铁电液晶调制光阀30，设置于cmos传感器的感光阵列之前。

光阀控制单元31，与铁电液晶调制光阀30电耦合，通过控制铁电液晶调制光阀30的透射与阻挡状态来控制cmos传感器的感光阵列的曝光时间。

本发明的实施例中，光阀控制单元31独立的控制铁电液晶调制光阀的状态切换：在透射状态，cmos传感器曝光；在阻挡状态，cmos传感器不曝光。如此，通过铁电液晶调制光阀的状态切换，实现微秒级别的每帧成像速度，在汽车高速行进中，仍然可以在瞬间位移中获得连续的图像，避免传统的曝光方式产生的拖尾、重影、图像模糊的问题。

优选的，ir收发模组还包括位于ir发射通道的：

准直镜头11，用于对激光发射器发射的光束进行准直汇聚；

衍射组件12(doe)，用于对准直后的出射光进行散射调制，得到散斑图案；

光栅组件13，被设置成将散斑图案进行衍射复制后，扩大投射角度，形成出射到被摄目标的红外光束。

由此，可结合宽视角的红外光投射范围，覆盖更加宽阔的成像视野范围，具有更大的视角，替代旋转mirror的复杂结构。

ir收发模组还包括位于ir接收通道的：

设置位于光学接收器的前方的窄带滤波组件21，以允许设定波段范围的光信号通过，投射到光学接收器(cmos传感器)。

在ir发送端，激光发射器发射的是940nm波长的红外光，因此在接收通道后方需要将940nm以外的环境光剔除，使得cmos传感器只接收到940nm的红外光。由于工艺、控制以及环境因素，通常，我们在选择合适的窄带滤波组件时，允许940nm±5％的范围内的光束通过。

在可选的例子中，图像采集系统还包括一校正单元，所述校正单元包括一工业高清相机，用于定期拍摄被摄目标的平面图像；

所述校正单元接收工业高清相机发送的被摄目标的平面图像，选取被摄目标轮廓上的任意一个点位，将该点位与获取的被摄目标的景深图像的该点位的结果进行校对；

如果校对后的误差大于设定误差阈值，校正单元判定获取的景深图像不满足测距要求，否则，判定获取的景深图像满足测距要求。

结合图1、图2所示的图像采集系统，其成像过程如下：

ir收发模组生成并向被摄目标发射多条红外光束以及检测多条反射束，获取针对每个红外光束所在通道的点云信息，其中反射束的每一条对应于多条生成的红外光束之一；

光阀控制单元根据预设的周期控制铁电液晶调制光阀的开启与关闭，以控制cmos传感器的感光阵列的曝光时间，其中：在透射状态，所述cmos传感器曝光，接收来自成像镜头组件所采集的影像并将影像转换成电信号输出；在阻挡状态，所述cmos传感器不曝光；

图像处理系统根据ir收发模组获得的点云信息生成被摄目标的连续图像。

图3示例性的示出了铁电液晶调制光阀的结构。图示铁电液晶调制光阀包括：相互之间具有间隙的一对基底101a、101b；一对电极102a、102b，其中一个电极设置在一个基底上；夹在所述基底之间的间隙内的铁电液晶103。

基底101a、101b均为透明材质，例如可选择玻璃、硅片、有机聚合物或者无机聚合物构成。

所述的一对电极分别电耦合至光阀控制单元，如此实现光阀控制单元对控制铁电液晶103的控制。

优选的例子中，电极构造为透明电极层，分别设置在对应基底的内表面，与透明基板共面，如此在将基底、电极以及铁电液晶进行组合形成整体时，相互接触，其中电极与铁电液晶相邻接。

优选的，前述一对基底101a、101b上，相对的一侧还设置有与基底邻接的一对偏光器104a和104b，使得基底、电极以及铁电液晶整体组合位于其之间以利于提供电光调制，当铁电液晶打开或者关闭的状态切换时，产生不同的明暗状态效果。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用于限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。