本發(fā)明在其一些實施方式中涉及一種用于3D感測的結(jié)構(gòu)光感測生成，并且更具體地說(但非排他地)涉及一種使用多發(fā)射器的重疊圖案的結(jié)構(gòu)光方法和裝置。

背景技術：

一般而言，結(jié)構(gòu)光感測是將已知的圖案(諸如，柵格或水平條)投影到場景上的過程。當柵格或條撞擊表面時柵格或條連續(xù)或不連續(xù)、變形以及位移的方式允許視覺系統(tǒng)計算場景中的對象的深度和表面信息。在3D掃描儀中可以使用結(jié)構(gòu)光。

結(jié)構(gòu)光常常是不可見的或覺察不到的，從而允許在用戶感覺不到其存在的情況下進行使用。

結(jié)構(gòu)光裝置的要素是產(chǎn)生在3D掃描過程中要被測量的、投影到場景上的光圖案?，F(xiàn)有技術包括通常基于固定圖案的空間結(jié)構(gòu)光以及基于動態(tài)變化的圖案的時間結(jié)構(gòu)光。以兩種方式中的一種產(chǎn)生光圖案。在第一方法中，單個發(fā)射器經(jīng)過一系列光學器件進行投影以產(chǎn)生整體圖案。在第二方法中，多個發(fā)射器經(jīng)過光學元件成像或投影使得發(fā)射器中的每一個產(chǎn)生圖案的一部分。

在現(xiàn)有技術中對多個發(fā)射器的使用可以分成幾種類別。在一種類別中，首先由直接附接至特定發(fā)射器的小透鏡對發(fā)射器中的每一個進行準直。然后從全場視圖上的準直束陣列中產(chǎn)生遠場圖案。

在第二種類別中，首先將非規(guī)則布置的發(fā)射器按原樣投影到一小部分的遠場上，然后復制該布置以覆蓋大視場。

在第三種類別中，將單獨的衍射光學元件放置在生成遠場圖案的特定部分的每個發(fā)射器的前方。

技術實現(xiàn)要素：

由兩個或更多個獨立的發(fā)射器生成投影圖案，并且來自每個發(fā)射器的光沿著圖案的軸擴展以便使來自不同的發(fā)射器的光重疊。圖案可以是線并且發(fā)射器陣列的附加行可以提供附加線以形成覆蓋塊的投影。該塊是該圖案的正方形或者矩形分片(tile)并且分片可以在待掃描的區(qū)域上擬合。

根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式的一方面，提供一種用于使用至少一個投影圖案的投影結(jié)構(gòu)光的裝置，該裝置包括：

至少兩個獨立的發(fā)射器，每一個獨立的發(fā)射器被配置為生成投影圖案的一部分；以及

圖案生成器，用于使來自相應發(fā)射器的光沿著相應圖案軸重疊以形成投影圖案。

術語“重疊”被用于指示投影圖案上的點接收來自至少兩個分開的獨立發(fā)射器的光。發(fā)射器它們自身可以是相干的但彼此不相干地獨立。換言之，每個發(fā)射器產(chǎn)生相干光。然而，兩個不同的發(fā)射器彼此不相干，換言之，不彼此相干。

通常，該至少兩個獨立的發(fā)射器可以組成一行發(fā)射器中的一些或全部，并且圖案可以是直線或曲線，甚至由子圖案組成的復合物。應注意，根據(jù)觀察光圖案的視角，術語“行”可與列互換。

在圖案是線的情況下，準直器在垂直于線軸的軸上對給定行的光進行準直。

實施方式可包括每行數(shù)量可變的可操作的發(fā)射器，從而提供用于每條投影線或其他圖案的不同等級的強度。

在實施方式中，行設置有相同數(shù)量的發(fā)射器，其中，預定行的預定發(fā)射器關閉以提供較低等級的光強度。

可替換地，行分別設置有不同數(shù)量的發(fā)射器。

在實施方式中，通過將各個行設置成不同的長度并在發(fā)射器之間保持固定距離，提供不同數(shù)量的發(fā)射器。

在實施方式中，通過在各個行中的發(fā)射器之間提供不同的距離，提供不同的數(shù)量的發(fā)射器。

衍射元件可以用于復制一塊投影線以填充視野。

準直透鏡的行和/或焦距之間的間隔可以是預定的以限定在投影線之間展開的角度。

對于所有相鄰的投影線，在投影線或其他圖案之間展開的角度是恒定的，從而在投影線中提供規(guī)則圖案。

獨立的發(fā)射器可以例如使用激光棒或VCSEL陣列布置為發(fā)射器陣列。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于結(jié)構(gòu)光投影的方法，結(jié)構(gòu)光包括多條投影線，該方法包括：

從布置在多行中的獨立的相干光發(fā)射器發(fā)射光；以及

使來自給定行的各個獨立相干光發(fā)射器的光沿著線軸重疊以形成非相干光的相應投影線。

該方法可以包括在垂直于線軸的軸上對給定行的光進行準直，和/或每行設置不同數(shù)量的可操作發(fā)射器，使得不同的行提供不同強度的投影線。

該方法可能需要一次或多次復制一塊投影線以填充視野。

該方法可以包括固定準直透鏡的行和/或焦距之間的間隔以限定在投影線之間展開的角度。

該方法可以包括限定在投影線之間展開的角度以在所有相鄰投影線之間恒定，從而在投影線中提供規(guī)則圖案。

根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種通過移動或姿勢操作的用戶界面系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

用于使用多條投影線的結(jié)構(gòu)光投影的裝置，該裝置包括：

各行的獨立發(fā)射器，每行被配置為生成投影線的相應投影線；以及

線發(fā)生器，用于使來自給定行的相應發(fā)射器的光沿著相應線軸重疊以形成投影線。

根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種包括投影線的3D投影光圖案，投影線中的光由相干光的多個源提供，源是彼此不相干的，來自每個源的光重疊以形成相應投影線。

根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種使用多條投影線的投影結(jié)構(gòu)光的設備，該設備包括：

多行的獨立發(fā)射器，每行被配置為生成相應投影線；以及

線發(fā)生器，用于使來自給定行的各個發(fā)射器的光沿著相應線軸重疊以形成投影線中對應的投影線。

除非另有限定，否則本文中使用的所有技術和/或科學術語具有如本發(fā)明所屬領域技術人員所通常理解的含義。盡管在本發(fā)明實施方式的實施或測試中可使用與本文中所描述的類似或等同的方法和材料，但在下文中描述了示例性方法和/或材料。在沖突的情況下，以包括定義的本專利說明書為準。另外，材料、方法和實例僅僅是示意性的并且不旨在為必要限制性的。

本發(fā)明實施方式的方法和/或系統(tǒng)的實施可包括手動地、自動地、或它們組合地來執(zhí)行或完成所選任務。而且，根據(jù)本發(fā)明方法和/或系統(tǒng)的實施方式的實際儀器和設備，可通過硬件、通過軟件、或通過固件或通過它們的組合使用操作系統(tǒng)來實施多個所選任務。

例如，根據(jù)本發(fā)明實施方式用于執(zhí)行所選任務的硬件可實施為芯片或電路。作為軟件，根據(jù)本發(fā)明實施方式的所選任務可實施為通過計算機使用任何合適的操作系統(tǒng)執(zhí)行的多個軟件指令。在本發(fā)明的示例性實施方式中，根據(jù)如本文所述方法和/或系統(tǒng)的示例性實施方式的一個或多個任務可通過數(shù)據(jù)處理器，如用于執(zhí)行多個指令的計算平臺來執(zhí)行?？蛇x地，該數(shù)據(jù)處理器包括用于存儲指令和/或數(shù)據(jù)的易失性存儲器，和/或用于存儲指令和/或數(shù)據(jù)的非易失性存儲器，例如，磁性硬盤和/或可移動介質(zhì)?？蛇x地，還提供網(wǎng)絡連接。還可選地提供顯示器和/或用戶輸入裝置諸如鍵盤或鼠標。

附圖說明

在此參照附圖僅僅以實例的方式來描述本發(fā)明的一些實施例。針對現(xiàn)在具體對于附圖的具體參照，應當強調(diào)的是，所示細節(jié)僅作為實例并且用于示意性討論本發(fā)明實施例的目的。在這個方面，結(jié)合附圖所做的說明使得如何實施本發(fā)明的實施例對于本領域技術人員而言是顯而易見的。

在附圖中：

圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的用于使用3D光掃描(投影線放大)控制計算機畫面的手勢的示意圖；

圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的投影光圖案的示圖；

圖3是示出根據(jù)本發(fā)明實施方式的用于產(chǎn)生最小斑點噪聲的光圖案的設備的簡化框圖；

圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的一行發(fā)射器的簡圖；

圖5是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的準直的簡圖；

圖6是以夸張的形式示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式來自不同的發(fā)射器的光如何重疊以形成投影線的簡圖；

圖7是圖3的實施方式的變型，其中，單個光學元件實現(xiàn)分離的光學元件的所有功能；以及

圖8是示出本發(fā)明的實施方式的操作的簡化流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明在其一些實施方式中涉及一種用于3D感測等的結(jié)構(gòu)光生成，并且更具體地說(但非排他地)涉及一種使用多個發(fā)射器的重疊圖案的結(jié)構(gòu)光生成方法和設備。

結(jié)構(gòu)光可包括多個投影線，并且提供用于每條投影線的獨立發(fā)射器行。線生成器使得來自給定行的各個發(fā)射器的光沿著線軸重疊以形成投影線。發(fā)射器自身可以發(fā)射相干光但是不同的發(fā)射器彼此不相干。彼此不相干的獨立的發(fā)射器確保沿著投影線排列的線是不相干的，使得由于重疊而引起的斑點噪聲最小化。

在詳細闡述本發(fā)明的至少一個實施例之前，應當理解，本發(fā)明不必將其應用限制于在以下說明中描述和/或在附圖和/或?qū)嵗惺境龅牟考慕Y(jié)構(gòu)和布置和/或方法的細節(jié)。本發(fā)明能夠具有其他實施例或以各種方式實施或執(zhí)行。

現(xiàn)在參考附圖，圖1是示出手10做出姿勢以經(jīng)由虛擬現(xiàn)實面罩14控制畫面12的的簡化示圖。如以下更詳細地論述的，虛擬現(xiàn)實面罩包括攝像機和圖案形成光學器件。

光圖案從光學器件照射到視野(例如包括手)中。圖案可以是曲線或直線或由更簡單的圖案構(gòu)成的復雜圖案。圖案的一個實例是直線。在一個實例中可以使用一系列平行直線。

在圖案的極限范圍內(nèi)，來自不同的發(fā)射器的光重疊或者混合，使得除了或許圖案的末端之外，圖案中任何給出的點投影到接收來自兩個以上的發(fā)射器的光的探測區(qū)上。

條狀光圖案的投影線從畫面上或在畫面四周或者可替換地如所示出的位于攝像機上的光學器件16照射，并且為了說明而放大的投影線由于手的形狀而失真。攝像機拾取具有投影線中失真的手的圖像并且使用該失真確定對象10實際上是手并且確定手的位置、方位以及內(nèi)部特征的位置以識別姿勢，或者例如姿態(tài)等等。

圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的典型的條狀光圖案的簡圖。通常均勻分布的亮條紋作為投影線照射到視野上。投影線失真表示下面的對象的形狀。就是說，線落在對象上并且傾向于根據(jù)對象的輪廓而失真。投影線位移給出至感興趣的3D區(qū)域的深度的指示。因此，在三角測量的過程中，可根據(jù)兩個探測器處的角度確定對象位于空間中的深度。

現(xiàn)在參考圖3，圖3是示出設備的實施方式的簡化框圖。在圖3中，多行20獨立的發(fā)射器22以規(guī)則陣列24設置。每行生成投影線中的一個。通常，投影線沿著行的軸(由箭頭25表示)。

每個獨立的發(fā)射器22通常發(fā)出相干光。在從不同的發(fā)射器發(fā)射的光彼此不相干的意義上，發(fā)射器是獨立的。

為了使來自發(fā)射器的光轉(zhuǎn)化為跨視野的投影圖案，提供了光學裝置26。光學裝置由沿著軸擴展點光的線發(fā)生器28構(gòu)成。所選擇的軸是行方向25的軸，并且對于多行的發(fā)射器使用線發(fā)生器的效果是使來自給定行的不同的發(fā)射器的光沿著線軸重疊以形成投影線。

為了使投影線獨特，準直器30在垂直于線軸并與行交叉的軸上對給定行的光進行準直。

如果單獨的線獨特，那么更容易進行圖像分析。本實施方式允許通過亮度或強度識別每條線。在每行可以使用不同數(shù)目的發(fā)射器，從而即使行圖案自身是均一的，每行也具有唯一的強度。較亮的行可以與較暗的行交替，使得圖像分析可以拾取在不連續(xù)(諸如對象的邊緣)之后的正確投影線。因此，發(fā)射器可以設計成可切換的(即，開啟和關閉)，以便每行設置不同數(shù)量的可操作發(fā)射器，使得不同的行提供不同強度的投影線。

作為對于關閉發(fā)射器的替換方案，實施方式在每行中保持相同數(shù)量的可操作發(fā)射器，但是改變用于每行的驅(qū)動電流，從而實現(xiàn)強度改變的相同結(jié)果。驅(qū)動電流中的變化可以設計到硬件中和/或可以由驅(qū)動器控制。

在另一替換方案中，陣列中不同的行的長度不同，因此具有數(shù)量不同的均勻間隔的發(fā)射器，以便實現(xiàn)不同的強度。關于這種實施方式的變型是在不同行的發(fā)射器之間具有不同行距。

還可以提供以上實施方式的任意組合以便實現(xiàn)強度變化的線。組合實施方式的原因是當被照亮的區(qū)域需要更大的對比時，為冗余強度等級的差提供增加強度差的進一步的選項。

示例性實施方式使用具有兩種類型的行(高強度類型的行和低強度類型的行)的規(guī)則柵格陣列，低強度類型的行具有比高類型更少的可操作發(fā)射器。然而，行類型不是由發(fā)射器的數(shù)量定義的而是由每行的功率輸出定義的。

發(fā)射器之間的距離在高強度行與低強度行兩者中都是相同的，并且行之間的距離是固定的。

沒必要使獨特的投影線投射到整個視野中。相反，能夠生成分片(其中，所有的投影線都是獨特的)然后多次投射該分片。可以使用多斑或衍射元件32，其中，單個元件以單一維度進行分片。兩個這樣的元件可以用于在第二維度進行分片并且可以復制分片或塊以填充視野。

可通過準直器以及準直透鏡的焦距設置投影線的寬度。準直透鏡的焦距和行22之間的間隔可以限定在相鄰的投影線之間展開的角度。通常，使相鄰投影線之間展開的角度保持不變以提供均勻的圖案。

獨立的發(fā)射器可以布置為發(fā)射器陣列24，并且該陣列可以由激光棒或者垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)陣列組成。VCSEL陣列可包括晶片中半導體激光器的單片結(jié)構(gòu)，其中，光束發(fā)射方向垂直于晶片表面。

圖4、圖5以及圖6是示出投影線的形成的示意圖。如圖4所示，一行發(fā)射器發(fā)射在獨立發(fā)射器處相干但在發(fā)射器之間彼此不相干的光。

結(jié)果是在圖5中然后被準直以提供不會延伸到預設行邊界之外的光束的一行光斑。

圖6是示出每個斑是如何由線發(fā)生器轉(zhuǎn)變?yōu)檠刂€軸延伸的線的放大圖。線重疊，但由于發(fā)射器彼此不相干，存在的斑點噪聲減少。

現(xiàn)在參考圖7，圖7示出了圖3中的設備的變型，其中，單個統(tǒng)一的光學元件代替圖3的所有光學部件。統(tǒng)一的光學元件34對每行的光進行準直，沿著行軸擴展每行中的光以形成相應投影線，并執(zhí)行分片。

現(xiàn)在參考圖8，圖8是示出使用多條投影線和獨立的發(fā)射器進行結(jié)構(gòu)光掃描的方法的簡化流程圖。多行獨立發(fā)射器布置成陣列并且光從元件發(fā)射，如框40示出。如所論述的，元件是獨立的，因為盡管它們可以提供相干光，但它們彼此不相干。如以上相對于圖6討論的，來自給定行中的不同發(fā)射器的光然后比方說使用線發(fā)生器沿著行的軸擴展42，使來自行中的不同的發(fā)射器的光沿著線軸重疊以形成相應投影線。

盡管光沿著行的軸擴展，但在垂直軸上對光進行準直44以形成獨特的行。

如所提到的，可通過例如在每行中設置不同數(shù)量的元件使每行具有獨特的強度。其他方法可包括用不同的電流驅(qū)動每行。結(jié)果是具有獨特強度圖案的分片。然后可以復制分片以填充視野。在分片內(nèi)，通常可以使用兩個以上的強度等級并且可通過識別強度序列獲得唯一性。例如，“高、低、高、高”的圖案是唯一的，但是除非使用更大數(shù)量的強度等級，否則關于單獨的線沒什么獨特的。

現(xiàn)在更詳細地考慮線發(fā)生器和光學器件。使用多個發(fā)射器的優(yōu)勢是能夠顯著地減少斑點噪聲。然而，僅當使用不同的發(fā)射器以交疊的方式照亮相同的圖案時能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的優(yōu)勢。因此，本實施方式可以利用以下圖案形成技術。圖案一方面適合于結(jié)構(gòu)光應用，而另一方面容易將其自身提供給與照明應用重疊的另外的多個發(fā)射器。使用發(fā)射器的規(guī)則陣列，諸如，激光棒或VCSEL陣列。在發(fā)射器之后是對一個軸進行準直并在第二垂直軸上形成線的光學元件的序列。線方向可以通過一行發(fā)射器形成一系列重疊線的方式沿著發(fā)射器陣列軸準確地對齊。

由于每個發(fā)射器形成相同(至多存在一些小側(cè)向位移)的線，來自每個發(fā)射器的不同的線沿著增強線的長度重疊。由于發(fā)射器是不同的，光是不相干的，并且來自不同的發(fā)射器的光之間不存在干擾，從而導致線圖案中斑點噪聲大量減少。由于任何未對準可具有擴大線寬的效果，可以提供陣列軸與線方向之間的仔細對準。由于通過每個發(fā)射器形成的線在稍微有不同的位置終止，在線邊緣處，重疊停止。就是說，不同的線端點相對于彼此移動。然而，與線的長度相比，不同的線結(jié)束的范圍通常可以是小的。

使用相同的單個的光學元件，如在有規(guī)律地間隔開的陣列中，每行發(fā)射器導致投影圖案中單條線的形成。投影圖案中的線是等間隔的，且每個投影圖案線對應于單行。每個投影圖案線均包含來自發(fā)射器的重疊線，具體地來自該行中的每個發(fā)射器的一條線。通過發(fā)射器行與準直透鏡焦距之間的實際間隔來固定在線之間展開的角度。

通常，由于光變得更加不相干的，給定行22中每個附加發(fā)射器20可進一步減少投影線中的斑點噪聲。行22的數(shù)目然后可以確定由光學元件形成的投影線的數(shù)目。正如以上的討論，為了產(chǎn)生更多的投影線，簡單的衍射光學元件(DOE)32可以用于復制投影線圖案若干次。

為了進一步增強圖案，可以通過控制相應行中的有效發(fā)射器的數(shù)目來控制每個投影線的相對光強度。雖然仍使用規(guī)則陣列24，但可以通過消除來自每條線的少量發(fā)射器減少有效發(fā)射器的數(shù)目。以這種方式，每條投影線均可被設為預定線強度，該強度然后可以由分析軟件用于識別單獨的投影線。

實施方式使用簡化光學設計用于以上圖案形成技術?？梢允褂脝蝹€的光學元件34針對所有的發(fā)射器所共用，從而允許它們規(guī)則布置以變換成所希望的遠場圖案或投影圖案。遠場圖案的獨特的規(guī)則性可以允許本技術有效。光學器件包括準直器、線發(fā)生器以及多斑或DOE，以便復制線圖案以填充視野。

通過至少一些本實施方式示出以下優(yōu)點。

實施方式可以使得斑點噪聲能夠有效減少，這通常會是當存在相干光時發(fā)射器圖案重疊的情況。

由于單獨的投影線中的多源的重疊，實施方式可以允許改善的全局線均勻性。

實施方式可以使用對于所有的獨立發(fā)射器所共用的簡單的光學器件。

如所論述，實施方式可以允許通過設置每行中有效發(fā)射器的數(shù)量來控制線強度。

實施方式可以允許通過在發(fā)射器陣列布局中設置行到行的間隔和/或設置準直透鏡的焦距控制線角間隔。

在實施方式中，發(fā)射器可以分成發(fā)射器子集，其中每個子集允許單獨開/關切換或者單獨控制驅(qū)動電流。

在實施方式中，基于行/列劃分成子集，每行/列可單獨尋址?？商鎿Q地，幾行/列可以聚集成一個子集。舉例來說，奇數(shù)行/列可聚集成一個子集，并且偶數(shù)行/列可聚集成另一個子集。與數(shù)據(jù)獲取同步地交替地使用每個子集允許形成動態(tài)圖案以提高分辨率。

可以期望到，在從本申請發(fā)展到專利的期間，會開發(fā)出許多相關的光學發(fā)射器和投影分析技術并且相應術語的范圍旨在包括所有在前的這樣的新技術。

術語“包括”、“包含”、“含有”、“含”、“具有”及其同源詞是指“包含但不限于”。

術語“由……組成“表示“包括并且限于”。

如本文中所使用的，除非上下文明確地規(guī)定其它情況之外，否則單數(shù)形式“一”、“一個”和“該”也包括復數(shù)。

應理解，為了清楚而在分開的實施方式的上下文描述的本發(fā)明的某些特征還可以組合起來在單個的實施方式中提供，并且以上描述解釋為該組合是否明確地書寫。相反地，為了簡便起見，在單個的實施方式的上下文描述的本發(fā)明的各種特征可以單獨提供或以任何適當?shù)淖咏M合提供，或者適用于所描述的本發(fā)明的任何其他實施方式，并且以上描述解釋為這些分開的實施方式是否明確地書寫。在各個實施例的背景下描述的特定特征不應當被認為對于那些實施方式而言是實質(zhì)性的特征，除非實施方式在不具備這些元素的情況下不能實施。

雖然本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合其特定的實施方式進行了描述，但是很明顯的是，許多替換、修改和變化對本領域的技術人員來說是顯而易見的。因此，其意在涵蓋落入所附權利要求的精神和廣泛范圍內(nèi)的所有此類替代、修改和變化。

本說明書中提及的所有出版物、專利和專利申請以其全部內(nèi)容如同每個單獨的出版物、專利或?qū)＠暾埦唧w地且單獨地指明結(jié)合于本文中作為參考的相同程度結(jié)合于本說明書中作為參考。另外，本申請中任何參考文獻的引證或識別不應該解釋為承認這種參考文獻可作為針對本發(fā)明的現(xiàn)有技術。對于所使用章節(jié)標題的程度而言，它們不應當被認為是必要限制性的。