一種三維測(cè)距成像的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及三維信息探測(cè)成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用壓縮感知方法、單像 素探測(cè)器和立體光強(qiáng)分布的方式進(jìn)行三維測(cè)距成像的系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)主動(dòng)三維成像技術(shù)是對(duì)目標(biāo)進(jìn)行三維定位的關(guān)鍵技術(shù)，在生物醫(yī)學(xué)、機(jī)器視 覺、地理遙感等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，例如SaraAJones等利用三維成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)活體細(xì)胞 的實(shí)施測(cè)量；SergioA.R.F.等將激光雷達(dá)作為輔助手段應(yīng)用于城市中車輛目標(biāo)的跟蹤和 識(shí)別；高精度的三維成像系統(tǒng)在構(gòu)建地理信息系統(tǒng)等發(fā)揮了重要作用；而量子噪聲或散粒 噪聲，最終限制了三維成像測(cè)量精度，在主動(dòng)照明光能量有限時(shí)，三維成像系統(tǒng)的分辨率、 準(zhǔn)確性等將受到光強(qiáng)探測(cè)器和光能利用率的限制。
[0003] 2006 年，D.L.Donoho提出了壓縮感知（CompressiveSensing，CS)，該理論的基礎(chǔ) 是待測(cè)信號(hào)具有可壓縮性：信號(hào)本身或者被投影到一個(gè)新的表達(dá)空間時(shí)，其向量基的系數(shù) 集合中非零元素是稀疏的（即非零元素的數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其系數(shù)集的維度）。近年來壓縮感 知在三維成像技術(shù)上的應(yīng)用研宄不斷涌現(xiàn)，其一，可利用高性能的單像素探測(cè)器，單像素相 機(jī)架構(gòu)的使用能使快速三維成像系統(tǒng)繞開低信噪比的像增強(qiáng)器，而采用高性能單像素探測(cè) 器以達(dá)到光子計(jì)數(shù)測(cè)量水平。2011年JohnC.Howell等利用單像素相機(jī)和時(shí)間飛行法結(jié) 合，實(shí)現(xiàn)了 〇. 5皮瓦的低接收光強(qiáng)水平的具有256X256橫向分辨率的單光子三維成像系 統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了 32X32像素的14幀率的錄像功能；其二，可減少測(cè)量次數(shù)提高測(cè)量速度。2011 年Wm.RandallBabbitt等通過發(fā)射脈沖和接收器的偽隨機(jī)二進(jìn)制編碼實(shí)現(xiàn)了壓縮感知激 光測(cè)距，樣機(jī)通過24次780KHz采樣率的AD測(cè)量獲得了 40米內(nèi)3個(gè)目標(biāo)0. 3米的分辨率。 2012年浙江大學(xué)的張秀達(dá)、嚴(yán)惠民等在門選通三維測(cè)距成像方法基礎(chǔ)上，對(duì)門選通序列的 時(shí)間函數(shù)進(jìn)行偽隨機(jī)編碼，通過壓縮感知方法測(cè)量距離維度上的多個(gè)目標(biāo)，把系統(tǒng)測(cè)量速 度提高了 10倍。值得注意的是，這些研宄結(jié)果還證明了三維目標(biāo)信息在橫向和軸向都具有 可壓縮性，本發(fā)明為了簡(jiǎn)化三維測(cè)距的硬件系統(tǒng)構(gòu)成以及改進(jìn)三維測(cè)距成像的性能，提出 一種對(duì)三維信息進(jìn)行同步壓縮感知測(cè)量，利用單像素光強(qiáng)探測(cè)器的主動(dòng)照明式的三維測(cè)距 成像的系統(tǒng)及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種簡(jiǎn)化三維測(cè)距的硬件系統(tǒng)構(gòu)成 以及改進(jìn)三維測(cè)距成像性能的三維測(cè)距成像的系統(tǒng)和方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 一種三維測(cè)距成像的系統(tǒng)，包括數(shù)字處理器、光源、立體光強(qiáng)照明裝置、光信號(hào)接 收光學(xué)裝置、單像素光強(qiáng)探測(cè)器、AD轉(zhuǎn)換電路以及數(shù)據(jù)采集裝置，其中：
[0007] 數(shù)字處理器，通過光源連接立體光強(qiáng)照明裝置或者直接連接立體光強(qiáng)照明裝置， 所述數(shù)字處理器用以控制立體光強(qiáng)照明裝置將光源的光按照已知的立體分布數(shù)據(jù)進(jìn)行三 維光強(qiáng)投影，具有立體光強(qiáng)分布的光信號(hào)在三維空間遇到待測(cè)目標(biāo)物體后反射；
[0008] 光信號(hào)接收光學(xué)裝置，連接單像素光強(qiáng)探測(cè)器，光信號(hào)接收光學(xué)裝置用以收集反 射的光信號(hào)；
[0009] 單像素光強(qiáng)探測(cè)器，連接AD轉(zhuǎn)換電路，單像素光強(qiáng)探測(cè)器用以將光信號(hào)接收光學(xué) 裝置所收集的光信號(hào)集中并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；
[0010] AD轉(zhuǎn)換電路，連接數(shù)據(jù)采集裝置，AD轉(zhuǎn)換電路用以實(shí)現(xiàn)將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信 號(hào)；
[0011] 數(shù)據(jù)采集裝置，連接數(shù)字處理器，數(shù)據(jù)采集裝置用以采集數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào) 回傳至數(shù)字處理器中并由數(shù)字處理器進(jìn)行存儲(chǔ)，至此完成一次探測(cè)；
[0012] 在每一次探測(cè)時(shí)數(shù)字處理器采用不同的已知的立體分布數(shù)據(jù)，最終經(jīng)過探測(cè)次數(shù) 小于三維空間中平面像素乘以距離分布像素之積的探測(cè)次數(shù)，再利用數(shù)字處理器所存儲(chǔ)的 數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)在數(shù)字處理器中進(jìn)行信息處理最終獲得待測(cè)目標(biāo)物體的三維測(cè)距圖像；其中 所述的單像素光強(qiáng)探測(cè)器的帶寬大于系統(tǒng)完成一次探測(cè)的時(shí)間間隔的倒數(shù)。
[0013] 較佳地，所述的數(shù)字處理器可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)或者是帶一定存儲(chǔ)空 間的DSP裝置。
[0014] 較佳地，所述的立體光強(qiáng)照明裝置由多個(gè)投影儀組成，其對(duì)應(yīng)的連續(xù)光源為非相 干光源。
[0015] 較佳地，所述的立體光強(qiáng)照明裝置由全息片組成，其對(duì)應(yīng)的連續(xù)光源為相干光源。
[0016] 較佳地，所述的全息片為旋轉(zhuǎn)全息片或者可控?cái)?shù)字全息片。
[0017] 較佳地，所述的光信號(hào)接收光學(xué)裝置為成像光學(xué)系統(tǒng)或者是能量收集光學(xué)系統(tǒng)。
[0018] 一種基于上述系統(tǒng)的成像方法，包括如下步驟：
[0019] 一、數(shù)字處理器控制立體光強(qiáng)照明裝置將光源的光按照已知的立體分布數(shù)據(jù)進(jìn)行 三維光強(qiáng)投影，具有立體光強(qiáng)分布的光信號(hào)在三維空間遇到待測(cè)目標(biāo)物體后反射；
[0020] 二、在步驟一中所反射的光信號(hào)由光信號(hào)接收光學(xué)裝置進(jìn)行收集；
[0021] 三、光信號(hào)接收光學(xué)裝置所收集到的光信號(hào)由單像素光強(qiáng)探測(cè)器集中并將其轉(zhuǎn)換 為電信號(hào)；
[0022] 四、電信號(hào)由AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)；
[0023] 五、數(shù)字信號(hào)由數(shù)據(jù)采集裝置采集將其回傳至數(shù)字處理器中并由數(shù)字處理器進(jìn)行 存儲(chǔ)，至此完成一次探測(cè)；
[0024] 在每一次探測(cè)時(shí)數(shù)字處理器采用不同的已知的立體分布數(shù)據(jù)，最終經(jīng)過探測(cè)次數(shù) 小于三維空間中平面像素乘以距離分布像素之積的探測(cè)次數(shù)，再利用數(shù)字處理器所存儲(chǔ)的 數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)在數(shù)字處理器中進(jìn)行信息處理最終獲得待測(cè)目標(biāo)物體的三維測(cè)距圖像；其中 所述的單像素光強(qiáng)探測(cè)器的帶寬大于系統(tǒng)完成一次探測(cè)的時(shí)間間隔的倒數(shù)。
[0025] 具體地說，本發(fā)明的三維測(cè)距成像原理在于：投影到探測(cè)空間的立體光強(qiáng)分布， 在軸向上的某個(gè)目標(biāo)成像面上是一個(gè)已知的偽隨機(jī)分布二維平面點(diǎn)陣，構(gòu)成該點(diǎn)陣的光分 布，由于離焦作用在軸向其他的非目標(biāo)成像面上快速模糊化，從而失去原偽隨機(jī)分布信息， 多個(gè)目標(biāo)距離二維平面點(diǎn)陣分布疊加最終形成一個(gè)偽隨機(jī)立體光強(qiáng)分布矩陣，光信號(hào)經(jīng)過 待測(cè)三維目標(biāo)物體反射后，經(jīng)過光信號(hào)接收光學(xué)裝置接收并輸入到單像素光強(qiáng)探測(cè)器，獲 得相應(yīng)的一次探測(cè)值，從而完成壓縮感知方法中的一次探測(cè)過程，經(jīng)過多次探測(cè)后，偽隨機(jī) 立體光強(qiáng)分布的集合組成壓縮感知方法中所需的偽隨機(jī)測(cè)量矩陣，對(duì)應(yīng)的探測(cè)值集合組成 壓縮感知方法中所需的測(cè)量向量，最終通過一次解壓縮感知方程后，可重構(gòu)出待測(cè)目標(biāo)的 三維信息矩陣，獲得目標(biāo)物體的三維分布圖像。
[0026] 需要說明的是，關(guān)于"立體光強(qiáng)分布"和"偽隨機(jī)立體光強(qiáng)分布"的定義解釋和相 互關(guān)系："立體光強(qiáng)分布"在本發(fā)明中指主動(dòng)照明的一種光強(qiáng)分布形式，是一種在探測(cè)空間 上立體的光強(qiáng)分布形式，例如三維點(diǎn)陣，它顯著區(qū)別于目前常用的結(jié)構(gòu)光測(cè)量三維中所用 的二維結(jié)構(gòu)光（平面上強(qiáng)度的相位調(diào)制投影）；而"偽隨機(jī)立體光強(qiáng)分布"則是"立體光強(qiáng) 分布"中的一種實(shí)現(xiàn)形式，是一種光強(qiáng)在三維空間的偽隨機(jī)分布，用于實(shí)現(xiàn)壓縮感知原理中 的對(duì)未知目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的偽隨機(jī)測(cè)量矩陣；另外一種與之對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)形式是"目標(biāo)特征具 體化立體光強(qiáng)分布"，適用于在三維場(chǎng)景中對(duì)已知的興趣目標(biāo)（如坦克、飛機(jī)等）追蹤或定 位成像；本發(fā)明中"立體"與"三維"含義一致，都表示在自然界三維坐標(biāo)中的空間范圍。
[0027] 采用了上述技術(shù)方案的本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想及有益效果是：
[0028] 本發(fā)明提供一種改進(jìn)三維測(cè)距成像的性能以及簡(jiǎn)化三維測(cè)距的硬件系統(tǒng)構(gòu)成的