专利名称：一种运动物体的抗干扰距离测量系统及方法
技术领域：
本发明涉及运动物体捕捉领域，尤其涉及一种运动物体的抗干扰距离测量系统及方法。
背景技术：
目前获取物体点云数据的方法很多，常见的方法有利用结构光图像信息获取点云数据；采用双目可见光图像信息获取数据，其中，结构光测量物体的方法和原理是相对比较成熟的。在使用激光扫描测量物体点云数据的技术中，实现对较快运动物体的扫描是该技术发展的一个方向，目前普通的扫描技术虽然精度很高，但是它需要较长时间的扫描获取数据，无法适用于如人体运动等诸多运动速度较快的物体，在实际情况中，测量人体运动数据等快速运动物体的点云数据的需求越来越大，快速获取点云数据的技术所需的软硬件成本较高，对设备成本降低也是该类技术发展的瓶颈，另外，目前使用的扫描系统无法滤除环境中的强光干扰，例如，太阳光，因此，以较低的成本在强干扰环境下实现快速获取点云数据是该技术发展的方向。

发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述扫描系统成本高以及无法解决强光干扰的缺陷，提供了一种运动物体的抗干扰距离测量系统和方法，降低了设备成本， 在强光干扰下可快速获取点云数据。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供了一种运动物体的抗干扰距离测量系统，所述系统包括提供光源的激光发射单元；在第一光强度下和第二光强度下连续对待测物体及背景的表面分别形成的第一局部扫描区域和第二局部扫描区域进行图像采集，并对采集到的第一光强度图像和第二光强度图像进行差值运算的图像传感单元；位于所述激光发射单元的主光路上将激光转向待测物体及背景的平面镜；控制所述平面镜转向角度的角度控制单元；控制单元，用于对所述激光发射单元进行控制以及接收所述图像传感单元输出的图像，对所述角度控制单元进行控制使之同步于所述图像传感单元的第一光强度图像和第二光强度图像拍摄。在本发明所述的系统中，所述图像传感单元包括CMOS图像传感芯片以及将待测物体及背景成像在所述CMOS图像传感芯片上的镜头，所述图像传感单元还包括滤波装置。在本发明所述的系统中，还包括位于所述激光发射单元与所述平面镜之间的主光路上将所述激光发射单元产生的光束在一个方向上发散成扇形的透镜。在本发明所述的系统中，所述角度控制单元固定有一所述平面镜的转动轴，其与所述平面镜的法线垂直。
4
在本发明所述的系统中，还包括与控制单元通信的计算机系统，用于对激光成像数据进行拼合处理。本发明还提供了一种运动物体的抗干扰距离测量方法，所述方法包括以下步骤A.控制激光发射单元产生激光束，所产生的激光束通过透镜折射后发散成扇形再经平面镜反射后通过控制角度控制单元使所述平面镜偏转一个预设角度，从而在待测物体及背景表面形成的局部扫描区域，连续在第一光强度和第二光强度下对该局部扫描区域分别扫描一次以获得第一光强图像和第二光强图像；B.图像传感单元对采集到的第一光强度图像和第二光强度图像进行差值运算；C.控制单元接收进行所述差值运算后的小帧数据，并根据所述小帧数据计算扫描线信息；D.如一帧图像未处理完，则返回步骤A形成下一局部扫描区域，并在第一光强度和第二光强度下分别进行扫描，否则执行步骤E。E.根据扫描线信息获取点云立体信息，并将所述点云立体在二维图像上显示。在本发明所述的方法中，所述步骤B之后和步骤C之前还包括Bi.对所述差值运算后得到的图像进行分割，以区分待测物体和背景，若分割后的图像的亮度高于预设阀值时，则认为是待测物体，若分割后的图像的亮度低于预设阀值时， 则认为是背景。在本发明所述的方法中，根据所述小帧数据计算扫描线信息包括以下步骤D1、提取激光局部扫描区域内的扫描线信息，对每一列扫描线计算亚像素坐标χ =Σ (GrayXX)/ Σ X，其中Gray为像素灰度值，X是像素的χ坐标。在本发明所述的方法中，所述根据扫描线信息进行点云立体信息二维显示包括以下步骤Ε1、按以下公式，根据激光线段的偏移距离ΔΧ计算出待测物体表面区域内的深度ζ,
, Bx f
V — J Λ.=-D 1 f ；
Bx f
Z 二 -
I ΔΓ + Χ'其中，f是图像传感器镜头的焦距，L是待测物体离Z方向的区域的距离值，B是平面镜中心P与图像传感器镜头的光心C之间的距离；E2、预先将距离远近分成多个区间，每个区间对应不同的颜色；根据距离所在区间，将对应的颜色投影到二维图象上。在本发明所述的方法中，在将所需小帧数据采集完后，还包括以下步骤将所需小帧数据进行拼合，形成完整的物体点云数据。实施本发明的技术方案，通过采集明暗两帧的图像数据，并对明暗两帧的图像数据做差值运算，并对差值运算后的小帧图像进行处理，同时可并行采集下一小帧图像，降低了软硬件设备的成本，实现了在强光干扰下可快速获取点云数据。


下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中图1是本发明运动物体的抗干扰距离测量系统的结构示意图；图2是本发明运动物体的抗干扰距离测量方法的流程图；图3是本发明运动物体的抗干扰距离测量方法中步骤SlOO之前的流程图；图4是本发明运动物体的抗干扰距离测量系统的光路顶视图；图5是本发明运动物体的抗干扰距离测量系统的光路斜视图；图6是本发明运动物体的抗干扰距离测量系统应用于人体运动的效果图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。如图1所示，在本发明运动物体的抗干扰距离测量系统的结构示意图中，该系统包括激光发射单元100、图像传感单元200、平面镜300、角度控制单元400、控制单元500、透镜600、计算机系统700，其中，激光发射单元100，用于为测量物体提供光源，其发射的激光波长应与图像传感单元200相适应。在激光发射单元100与平面镜300之间的主光路上设有透镜600，用于将激光发射单元100产生的光束在一个方向上发散成扇形的，透镜600可以为柱面镜、一字波浪镜，也可以是其他形式，在此不再赘述。在激光发射单元100的主光路上设有平面镜300，用于将来自激光发射单元100的光束转向待测物体及背景。而平面镜300的偏转角度由角度控制单元400控制，角度控制单元400 —个转轴，上面固定有平面镜300，转轴与平面镜300法线垂直。角度控制器可以控制平面镜300绕转动轴旋转，转动角度可由控制单元500程序指定。设置平面镜300转动角度的最小范围为使反射的光线扫过整个测量物体及背景。图像传感单元200，用于在第一光强度下和第二光强度下连续对待测物体及背景的表面分别形成的第一局部扫描区域和第二局部扫描区域进行图像采集，并对采集到的第一光强度图像和第二光强度图像进行差值运算，下面具体说明该差值运算的过程应当说明的是，在本实施例中，采用的是普通CMOS图像传感器，在第一光强度下和第二光强度下连续采集两帧图像A和B，这里假设在整个过程中待测物体和背景的位置几乎没有发生改变，其中，在第一光强度下采集图像A，第一光强度为激光照射，在第二光强度下采集图像 B，第二光强度为没有激光照射，由于待测物体距离激光较近，或具有特殊反光表面，使得在图像A中待测物体的亮度远高于图像B中待测物体的亮度；而背景距离激光较远，且没有特殊反光表面，使得图像A和图像B中背景的亮度差别不大。图像传感器将采集到的图像A 和图像B，并对其做差值运算，结果为滤除了强光的图像C，这时图像C中待测物体的亮度会远大于背景的亮度，然后对图像C进行图像分割，在分割的图像中亮度高于预设阈值的部分认为是待测物体，亮度低于预设阈值的部分则认为是背景，从而根据区域的划分可进行后续的运算，如提取位置信息等。应当说明的是，该图像传感单元200将首次采集到的激光成像信息保存并记录下来，以为后续采集到的小帧数据作为参考，图像传感单元200包括CMOS图像传感芯片和镜头，在另一实施例中，为了实现仅对特定波长的激光信号进行接收，可在镜头内加装滤波片。该滤波片可与镜头分离形成独立部件，也可直接在镜头上镀膜。控制单元500，可以采用控制芯片或单片机、DSP、FPGA，本领域的技术人员应当了解，并不限于上述所列举的，用于负责控制激光发射单元100、角度控制单元400和图像传感单元200，可以接收图像传感单元200输出的图像，并具有和电脑通信的能力，可以将从图像传感单元200接收到的信息传递到电脑，也可以具有处理信息的能力。其最主要工作是对平面镜角度与图像传感单元200的图像拍摄进行同步控制。计算机系统700，与控制单元通信且用于对激光成像数据进行拼合处理。优选地，图像传感单元200包括CMOS图像传感芯片以及将待测物体成像在该CMOS 图像传感芯片上的镜头，图像传感单元200还包括滤波装置。如图2所示，在本发明运动物体的抗干扰距离测量方法的流程图中，该方法包括S100.控制激光发射单元产生激光束，所产生的激光束通过透镜折射后发散成扇形再经平面镜反射后通过控制角度控制单元使所述平面镜偏转一个预设角度，从而在待测物体及背景表面形成的局部扫描区域，连续在第一光强度和第二光强度下对该局部扫描区域分别扫描一次以获得第一光强图像和第二光强图像；S200.图像传感单元对采集到的第一光强度图像和第二光强度图像进行差值运算；S300.控制单元接收进行该差值运算后的小帧数据，并根据该小帧数据计算扫描线信息；S400.如一帧图像未处理完，则返回步骤SlOO形成下一局部扫描区域，并在第一光强度和第二光强度下分别进行扫描，否则执行步骤S500。S500.根据扫描线信息获取点云立体信息，并将该点云立体在二维图像上显示。优选地，在步骤S200之后和步骤S300之前还包括对该差值运算后得到的图像进行分割，以区分待测物体和背景，若分割后的图像的亮度高于预设阀值时，则认为是待测物体，若分割后的图像的亮度低于预设阀值时，则认为是背景。优选地，根据该小帧数据计算扫描线信息包括以下步骤提取激光局部扫描区域内的扫描线信息，对每一列扫描线计算亚像素坐标χ = Σ (GrayXX)/ Σ X，其中Gray为像素灰度值，X是像素的χ坐标。优选地，根据扫描线信息进行点云立体信息二维显示包括以下步骤按以下公式，根据激光线段的偏移距离ΔΧ计算出待测物体表面区域内的深度ζ，
权利要求
1.一种运动物体的抗干扰距离测量系统，其特征在于，所述系统包括 提供光源的激光发射单元；在第一光强度下和第二光强度下连续对待测物体及背景的表面分别形成的第一局部扫描区域和第二局部扫描区域进行图像采集，并对采集到的第一光强度图像和第二光强度图像进行差值运算的图像传感单元；位于所述激光发射单元的主光路上将激光转向待测物体及背景的平面镜； 控制所述平面镜转向角度的角度控制单元；控制单元，用于对所述激光发射单元进行控制以及接收所述图像传感单元输出的图像，对所述角度控制单元进行控制使之同步于所述图像传感单元的第一光强度图像和第二光强度图像拍摄。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像传感单元包括CMOS图像传感芯片以及将待测物体及背景成像在所述CMOS图像传感芯片上的镜头，所述图像传感单元还包括滤波装置。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括位于所述激光发射单元与所述平面镜之间的主光路上将所述激光发射单元产生的光束在一个方向上发散成扇形的透镜。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述角度控制单元固定有一所述平面镜的转动轴，其与所述平面镜的法线垂直。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括与控制单元通信的计算机系统，用于对激光成像数据进行拼合处理。
6.一种运动物体的抗干扰距离测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤A.控制激光发射单元产生激光束，所产生的激光束通过透镜折射后发散成扇形再经平面镜反射后通过控制角度控制单元使所述平面镜偏转一个预设角度，从而在待测物体及背景表面形成的局部扫描区域，连续在第一光强度和第二光强度下对该局部扫描区域分别扫描一次以获得第一光强图像和第二光强图像；B.图像传感单元对采集到的第一光强度图像和第二光强度图像进行差值运算；C.控制单元接收进行所述差值运算后的小帧数据，并根据所述小帧数据计算扫描线信息；D.如一帧图像未处理完，则返回步骤A形成下一局部扫描区域，并在第一光强度和第二光强度下分别进行扫描，否则执行步骤E。E.根据扫描线信息获取点云立体信息，并将所述点云立体在二维图像上显示。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤B之后和步骤C之前还包括 Bi.对所述差值运算后得到的图像进行分割，以区分待测物体和背景，若分割后的图像的亮度高于预设阀值时，则认为是待测物体，若分割后的图像的亮度低于预设阀值时，则认为是背景。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述小帧数据计算扫描线信息包括以下步骤D1、提取激光局部扫描区域内的扫描线信息，对每一列扫描线计算亚像素坐标χ = Σ (GrayXX)/ Σ X，其中Gray为像素灰度值，X是像素的χ坐标。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据扫描线信息进行点云立体信息二维显示包括以下步骤E1、按以下公式，根据激光线段的偏移距离ΔΧ计算出待测物体表面区域内的深度z，
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在将所需小帧数据采集完后，还包括以下步骤将所需小帧数据进行拼合，形成完整的物体点云数据。
全文摘要
本发明公开一种运动物体的抗干扰距离测量系统，该系统包括提供光源的激光发射单元；在第一光强度和第二光强度连续对待测物体及背景的表面形成的局部扫描区域采集图像，并对采集的第一光强度图像和第二光强度图像进行差值运算的图像传感单元；位于激光发射单元的主光路上将其激光转向待测物体的平面镜；控制平面镜转向角度的角度控制单元；控制单元，用于对激光发射单元控制以及接收图像传感单元输出的图像，对角度控制单元进行控制使之同步于图像传感单元。实施本发明的技术方案，通过采集明暗两帧的图像数据，并对明暗两帧的图像数据作差值运算，并对差值运算后的小帧图像进行处理，同时可并行采集下一小帧图像，实现了在强光干扰下快速获取点云数据。
文档编号G01C11/00GK102466479SQ20101055713
公开日2012年5月23日 申请日期2010年11月16日 优先权日2010年11月16日
发明者吴迪, 师丹玮, 陈 光, 黄永春 申请人:深圳泰山在线科技有限公司