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1、(10)申请公布号 CN 102927972 A (43)申请公布日 2013.02.13 CN 102927972 A *CN102927972A* (21)申请号 201210430995.6 (22)申请日 2012.11.01 G01C 11/00(2006.01) (71)申请人 中国科学院半导体研究所 地址 100083 北京市海淀区清华东路甲 35 号 (72)发明人 王新伟 周燕 刘育梁 (74)专利代理机构 中科专利商标代理有限责任 公司 11021 代理人 任岩 (54) 发明名称 一种距离选通超分辨率三维成像装置及方法 (57) 摘要 本发明公开了一种距离选通超分辨三维成。
2、像 装置及方法， 该装置包括触摸屏显示器 (8)、 中心 处理器 (9)、 时序控制器 (10)、 脉冲激光器 (11)、 照明光学镜头 (12)、 选通面阵成像器件 (13) 和 成像光学镜头 (14) ； 其中， 脉冲激光器 (11) 和照 明光学镜头 (12) 连接构成照明单元 ； 选通面阵成 像器件 (13) 和成像光学镜头 (14) 连接构成成像 单元 ； 触摸屏显示器 (8)、 中心处理器 (9) 和时序 控制器 (10) 构成系统控制及显示单元。利用本 发明， 解决了传统距离选通三维成像实时性差、 对 噪声扰动敏感灯问题， 且本发明适应性好， 灵活性 强， 可实现目标快速高分辨率。
3、三维成像。 (51)Int.Cl. 权利要求书 4 页 说明书 6 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 4 页 说明书 6 页 附图 2 页 1/4 页 2 1. 一种距离选通超分辨三维成像装置， 其特征在于， 该装置包括触摸屏显示器 (8)、 中 心处理器 (9)、 时序控制器 (10)、 脉冲激光器 (11)、 照明光学镜头 (12)、 选通面阵成像器件 (13) 和成像光学镜头 (14) ； 其中， 脉冲激光器 (11) 和照明光学镜头 (12) 连接构成照明单 元 ； 选通面阵成像器件 (13) 和成像光学镜头 (14) 连接构成成。
4、像单元 ； 触摸屏显示器 (8)、 中心处理器 (9) 和时序控制器 (10) 构成系统控制及显示单元。 2. 根据权利要求 1 所述的距离选通超分辨率三维成像装置， 其特征在于， 所述脉冲激 光器 (11) 是该距离选通超分辨率三维成像装置的照明光源， 采用具有方波时域脉形的半 导体激光器， 在 TTL 触发信号触发下输出具有方波时域脉形的激光脉冲， 并经照明光学镜 头 (12) 发射对前视视场进行照明， 当激光脉冲传至目标后被目标散射或发射形成后向传 播的回波信号。 3. 根据权利要求 1 所述的距离选通超分辨率三维成像装置， 其特征在于， 所述照明光 学镜头(12)用于发射所述脉冲激光器。
5、输出的脉冲激光， 在所述中心处理器(9)控制下可对 激光的发散角进行调节， 实现照明视场的控制。 4. 根据权利要求 1 所述的距离选通超分辨率三维成像装置， 其特征在于， 所述选通面 阵成像器件 (13) 是该距离选通超分辨率三维成像装置的成像探测器件， 是具有选通功能 的面阵成像阵列， 其选通功能由 TTL 触发信号触发工作， 该选通面阵成像器件 (13) 像元数 为 IJ， 其中 I 为选通面阵成像阵列的行数， J 为选通面阵成像阵列的列数。当外触发信号 触发选通面阵成像器件 (13) 时， 选通功能开启， 形成具有方波时域脉形的选通脉冲， 选通 脉冲脉宽对应的是选通面阵成像器件 (13。
6、) 的有效曝光时间， 在此曝光时间内接收由成像 光学镜头 (14) 收集的来自前视视场内激光照射目标形成的回波信号。 5. 根据权利要求 1 所述的距离选通超分辨率三维成像装置， 其特征在于， 所述成像光 学镜头 (14) 用于收集目标回波信号， 在所述中心处理器 (9) 控制下能够调节成像视场。 6. 根据权利要求 1 所述的距离选通超分辨率三维成像装置， 其特征在于， 所述时序控 制器 (10) 是该距离选通超分辨率三维成像装置的时序发生器， 接收来自所述中心处理器 (9) 发送的设置命令， 产生该距离选通超分辨率三维成像装置工作所需的三维成像工作时 序， 输出两路 TTL 触发信号分别触。
7、发所述脉冲激光器 (11) 和所述选通面阵成像器件 (13) 工作， 实现所需成像功能。 7. 根据权利要求 1 所述的距离选通超分辨率三维成像装置， 其特征在于， 所述触摸屏 显示器 (8) 用于设置该距离选通超分辨率三维成像装置的工作参数并具有图像显示功能， 该触摸屏显示器具有触摸屏功能， 与所述中心处理器 (9) 连接， 供用户设置工作参数， 同 时， 用于显示中心处理器(9)处理后的三维图像 ； 该触摸屏显示器(8)还与选通面阵成像器 件 (13) 相连， 显示选通面阵成像器件 (13) 输出的二维切片图像。 8. 根据权利要求 1 所述的距离选通超分辨率三维成像装置， 其特征在于， 。
8、所述中心处 理器(9)用于将所述触摸屏显示器(8)输入的工作参数设置命令分别发送给与该中心处理 器 (9) 相连接的所述时序控制器 (10)、 所述照明光学镜头 (12) 和所述成像光学镜头 (14)， 并存储所述选通面阵成像器件 (13) 输出的二维切片图像， 并对这些二维切片图像数据进 行处理， 实现三维重构得到三维图像， 将该三维图像传给所述触摸屏显示器 (8)。 9. 一种距离选通超分辨率三维成像方法， 应用于权利要求 1 至 8 中任一项所述的距离 选通超分辨率三维成像装置， 其特征在于， 该方法采用脉冲激光器作为照明光源， 采用选通 权 利 要 求 书 CN 102927972 A。
9、 2 2/4 页 3 面阵成像器件接收目标回波信号， 利用距离选通成像构造具有三角形距离能量包络的空间 切片， 并在三维成像工作时序下获取前视视场的二维切片图像， 然后基于摄像机坐标系建 立二维切片图像与三维空间切片的对应关系， 由相邻切片图像间重叠区像素灰度比与距离 能量比之间的映射关系反演出二维切片图像每个像素对应的三维空间单元的距离信息， 从 而获得前视视场的距离图， 然后基于该距离图通过摄像机针孔模型反演出每个像素对应的 空间单元的三维空间信息， 实现三维成像。 10. 根据权利要求 9 所述的距离选通超分辨率三维成像方法， 其特征在于， 该方法中的 距离选通成像是通过控制激光脉冲和选。
10、通脉冲之间的延时实现的， 在激光脉冲发射一定的 延时后， 选通面阵成像器件的选通功能开启形成选通脉冲， 从而只接收前视视场内特定距 离的三维立体采样区内的回波信号， 输出二维切片图像至中心处理器 ； 该二维切片图像的 像素数由选通面阵成像器件的像元数决定 ； 选通面阵成像器件的像元数为 IJ， 其中 I 为 选通面阵成像阵列的行数， J 为选通面阵成像阵列的列数 ； 相应地， 二维切片图像的像素数 为 IJ ； 每个切片图像对应一个空间切片， 即三维立体采样区， 相应地， 二维切片的每个像 素对应空间切片的一个空间单元， 则空间切片由 IJ 个空间单元组成。 11. 根据权利要求 9 所述的距。
11、离选通超分辨率三维成像方法， 其特征在于， 所述基于摄 像机坐标系建立二维切片图像与三维空间切片的对应关系， 是建立二维切片图像在像平面 坐标系下像素 (xi， yj) 与三维空间切片在摄像机坐标系下空间单元 (Xi， Yj， Zi， j) 通过摄像 机针孔模型之间的关系 (i 1， I， j 1， J) 公式 1 公式 1 中， xi和 yj为切片图像第 i 行第 j 列像素在像平面坐标系下的 x 轴和 y 轴像素 坐标， Xi、 Yj和 Zi， j为像素 (xi， yj) 对应的空间单元在摄像机坐标系下 X 轴、 Y 轴和 Z 轴坐 标， f 为成像光学镜头焦距， I 为选通面阵成像阵列的。
12、行数， J 为选通面阵成像阵列的列数 ； 摄像机坐标系以成像光学镜头的光心为原点， X 轴和 Y 轴与成像平面坐标系的 x 轴和 y 轴 平行， Z 轴为成像光学镜头的光轴， 与像平面垂直， 光轴与像平面的交点为成像平面坐标系 的原点。 12. 根据权利要求 9 所述的距离选通超分辨率三维成像方法， 其特征在于， 所述的三维 成像工作时序是指脉冲激光器的激光脉冲和选通面阵成像器件的选通脉冲之间的时序关 系， 即每个激光脉冲对应一个选通脉冲， 且二者间存在一定的延时， 该时序由时序控制器产 生， 满足 m 0+(m-1)t m 1， M 公式 2 公式 2 中， 0为选通脉冲和激光脉冲间的初始延。
13、时， m 为空间切片的序号， M 为空间切 片的总数， m为空间切片 m 对应的选通脉冲和激光脉冲间的延时， t 为延时步进步长， 满 足 t tL tg 公式 3 公式 3 中， tL为激光脉冲脉宽， tg为选通脉冲脉宽 ； 将在延时 m下输出的空间切片的 图像记为切片图像 m， 该切片图像对应的空间切片的切片距离为 权 利 要 求 书 CN 102927972 A 3 3/4 页 4 m 1， M 公式 4 公式 4 中， m为空间切片 m 对应的选通脉冲和激光脉冲间的延时， c 为光在真空中的 传播速度， n 为大气折射率， Rm为空间切片 m 的切片距离。 13. 根据权利要求 9 所。
14、述的距离选通超分辨率三维成像方法， 其特征在于， 所述三角形 距离能量包络的空间切片是由激光脉冲和选通脉冲卷积作用产生的， 当激光脉冲和选通脉 冲的脉宽相等且脉形均为方波时， 卷积后距离能量包络呈三角形， 存在一上升沿和一下降 沿， 分别称为空间切片的头信号区和尾信号区 ； 切片图像 m 对应的空间切片的距离区间为 其中， Rm为空间切片 m 的切片距离， Dhead， m为空间切片 m 的头信号 区景深， Dtail， m为空间切片 m 的尾信号区景深。景深 Dhead， m和 Dtail， m的大小满足 m 1， M 公式 5 公式 5 中， tL为激光脉冲脉宽， tg为选通脉冲脉宽， c。
15、 为光在真空中的传播速度， n 为大 气折射率。 14. 根据权利要求 9 所述的距离选通超分辨率三维成像方法， 其特征在于， 所述相邻切 片图像间重叠区像素灰度比与空间单元距离能量比间的映射关系是指在三维成像工作时 序下相邻空间切片间的头信号区和尾信号区存在交叠， 当前空间切片的头信号区与上一空 间切片的尾信号区完全重叠， 当前空间切片的尾信号区与下一空间切片的头信号区完全重 叠， 相应地， 相邻空间切片对应的切片图像间存在重叠区， 同时， 由于像素灰度与该像素对 应的空间单元的回波信号能量成正比， 因此， 可建立重叠区像素灰度比与距离能量比的关 系 (i 1， I， j 1， J， m 1。
16、， M-1) 公式 6 公式 6 中， m(xi， yj) 为相邻切片图像 m 和 m+1 中的像素 (xi， yj) 的像素灰度比， Im(xi， yj) 和 Im+1(xi， yj) 分别是像素 (xi， yj) 在切片图像 m 和 m+1 中的灰度强度， ri， j为空间单元 (Xi， Yj， Zi， j) 到摄像机坐标系原点的距离， Etail， m(ri， j) 和 Ehead， m+1(ri， j) 分别是像素 (xi， yj) 对应的空间单元 (Xi， Yj， Zi， j) 在空间切片 m 的尾信号区和空间切片 m+1 的头信号区的回波 信号能量方程， 其能量比为 (i 1， I。
17、， j 1， J， m 1， M-1) 公式 7 公式 7 中， Rm和 Rm+1分别是空间切片 m 和 m+1 对应的切片距离， 满足ri， j为待测目标距离， n 为大气折射率 ； 由公式 6 和 7 可得空间单元 (Xi， Yj， Zi， j) 到摄像机坐标系原点的距离为 (i 1， I， j 1， J， m 1， M-1) 公式 8。 权 利 要 求 书 CN 102927972 A 4 4/4 页 5 15. 根据权利要求 14 所述的距离选通超分辨率三维成像方法， 其特征在于， 所述基于 该距离图通过摄像机针孔模型反演出每个像素对应的空间单元的三维空间信息是指， 由公 式 8 反演。
18、获得选通面阵成像器件每一像元对应的空间单元的距离信息， 并用该距离信息作 为该像素的像素值， 从而获得距离图。 16. 根据权利要求 15 所述的距离选通超分辨率三维成像方法， 其特征在于， 所述距离 图中第 i 行第 j 列像素的距离 ri， j与空间单元 (Xi， Yj， Zi， j) 的坐标存在以下关系 (i 1， I， j 1， J) 公式 9 公式 9 与公式 1 联立可获得每一像素 (xi， yj) 对应的空间单元 (Xi， Yj， Zi， j) 的坐标 (i 1， I， j 1， J) 公式 10 通过公式 10 便可获得每个像素对应的空间单元的三维空间信息， 从而完成三维重构 。
19、； 该三维信息反演由中心处理器完成， 三维图像在触摸屏显示器显示 ； 三维图像的距离向成 像区间为 R1， RM， 其中 R1和 RM分别是切片图像 1 和切片图像 M 对应的切片距离， 其大小可 由公式 4 给出， 分别为和其中 1和 M分别是切片图像 1 和切片图像 M 对应的选 通脉冲和激光脉冲间的延时， c 为光在真空中的传播速度， n 为大气折射率。 权 利 要 求 书 CN 102927972 A 5 1/6 页 6 一种距离选通超分辨率三维成像装置及方法 技术领域 0001 本发明涉及激光三维成像技术领域， 尤其涉及一种距离选通超分辨率三维成像装 置及方法。 背景技术 0002 。
20、针对传统三维成像技术存在的作用距离近 ( 如结构光成像、 双目立体视觉成像 )、 空间分辨率低 ( 如闪光激光成像雷达 ) 的问题， 人们发展了距离选通三维成像技术。该 距离选通三维成像技术是一种新型的三维成像技术， 利用距离选通成像技术获取目标 空间切片图像， 并基于此反演目标的三维空间信息， 具有空间分辨率高 ( 像素数可大于 10001000)、 作用距离远 ( 几千米 )、 破雾雨雪成像等特点， 在机器人视觉、 虚拟现实、 目标 侦察、 航天探测等领域具有广泛的应用。 0003 典型的距离选通三维成像技术是 2004 年丹麦科技大学 J.Busck 提出的距离选通 步进延时扫描三维成像。
21、(J.Busck and H.Heiselberg，“Gated viewing and high-accuracy three-dimensional laser radar” ， Appl.Opt.， Vol.43(24)， 4705-4710(2004).)， 利用选 通成像在距离向上小步长步进获取不同距离下的切片图像， 然后通过大量的距离切片反演 出目标的距离， 但是， 该方法本质上是一种扫描机制的成像方法， 欲获得高的距离分辨率， 需在较小延时步进补偿下获取目标大量的距离切片图像， 然后处理大量数据， 因此， 实时性 较差。 0004 为了解决距离选通步进延时扫描三维成像存在的问题，。
22、 2007 年底德法圣路易斯研 究院 M.Laurenzis 提出了一种新的距离选通激光三维成像技术 (Martin Laurenzis， Frank Christnacher， and David Monnin， Long-range three-dimensional active imaging with superresolution depth mapping， Opt.Lett.， Vol.32(21)， 3146-3148(2007).)， 该技术利 用激光脉冲和选通脉冲的卷积作用获取具有梯形包络的空间切片， 通过相邻两幅切片图像 间的图像灰度比与距离能量比之间的映射关系实现目标。
23、三维空间信息的快速反演， 不但解 决实时性差的问题， 同时解决了高距离分辨率依赖高性能器件的问题， 达到了利用低性能 器件获得与传统技术高性能器件相媲美的距离分辨率。 但是， 该技术在距离信息反演中， 相 邻切片间的灰度比动态范围小， 导致对背景噪声扰动敏感， 较小的灰度比变化就会产生较 大的距离反演误差， 从而降低了距离分辨率， 影响了其在低对比度目标探测、 远距离身份识 别、 逆向工程、 航天器软着陆等领域的应用。 发明内容 0005 ( 一 ) 要解决的技术问题 0006 针对上述现有技术存在的不足之处， 本发明的主要目的在于提出一种距离选通超 分辨率三维成像装置及方法， 以达到快速、 。
24、高分辨率获取目标三维空间信息的目的。 0007 ( 二 ) 技术方案 0008 为达到上述目的， 本发明提供了一种距离选通超分辨三维成像装置， 该装置包括 说 明 书 CN 102927972 A 6 2/6 页 7 触摸屏显示器 8、 中心处理器 9、 时序控制器 10、 脉冲激光器 11、 照明光学镜头 12、 选通面阵 成像器件 13 和成像光学镜头 14 ； 其中， 脉冲激光器 11 和照明光学镜头 12 连接构成照明单 元 ； 选通面阵成像器件 13 和成像光学镜头 14 连接构成成像单元 ； 触摸屏显示器 8、 中心处 理器 9 和时序控制器 10 构成系统控制及显示单元。 000。
25、9 为达到上述目的， 本发明还提供了一种距离选通超分辨率三维成像方法， 应用于 所述的距离选通超分辨率三维成像装置， 该方法采用脉冲激光器作为照明光源， 采用选通 面阵成像器件接收目标回波信号， 利用距离选通成像构造具有三角形距离能量包络的空间 切片， 并在三维成像工作时序下获取前视视场的二维切片图像， 然后基于摄像机坐标系建 立二维切片图像与三维空间切片的对应关系， 由相邻切片图像间重叠区像素灰度比与距离 能量比之间的映射关系反演出二维切片图像每个像素对应的三维空间单元的距离信息， 从 而获得前视视场的距离图， 然后基于该距离图通过摄像机针孔模型反演出每个像素对应的 空间单元的三维空间信息，。
26、 实现三维成像。 0010 ( 三 ) 有益效果 0011 从上述技术方案可以看出， 本发明具有以下有益效果 ： 0012 1、 利用本发明， 由于最少可通过两幅图像便可反演出目标的三维信息， 所以与传 统的距离选通步进延时扫描三维成像相比， 本发明的原始数据量和处理数据量大大减少， 且大大提高了系统的时效性。 0013 2、 利用本发明， 由于采用了具有三角形距离能量包络的空间切片对前视视场进行 切片成像， 并基于相邻切片间重叠区三角形距离能量包络建立距离能量比与相邻切片图像 像素灰度比间映射关系， 实现目标的距离信息的获得， 所以相比于 M.Laurenzis 的基于梯 形距离能量包络反演。
27、目标距离信息， 本发明扩展了图像灰度比的动态范围， 大大提高了距 离分辨率， 降低了对噪声扰动的敏感度。 0014 3、 利用本发明， 由于三维成像过程中采用距离选通成像获取前视视场的切片图 像， 所以本发明可很好的抑制大气等的后向散射， 在雾雨雪等恶劣天气环境下仍可有效工 作。 附图说明 0015 图 1 是本发明提供的距离选通超分辨三维成像的工作原理 ； 0016 图 2 是本发明提供的距离选通超分辨三维成像装置的框架图 ； 0017 图 3 是本发明提供的像平面坐标系与摄像机坐标系的示意图 ； 0018 图 4 是对本发明提供的距离选通超分辨率三维成像进行验证实验的结果示意图。 0019。
28、 图中主要元件符号说明 ： 0020 1距离选通超分辨率三维成像装置， 2空间切片(三维立体采样区)， 3切片图像m， 4 切片图像 m+1， 5 重叠区， 6 三维图像， 7 空间单元， 8 触摸屏显示器， 9 中心处理器， 10 时序 控制器， 11 脉冲激光器， 12 照明光学镜头， 13 选通面阵成像器件， 14 成像光学镜头。 具体实施方式 0021 为使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚明白， 以下结合具体实施例， 并参照 附图， 对本发明进一步详细说明。 说 明 书 CN 102927972 A 7 3/6 页 8 0022 在此公开本发明结构实施例和方法的描述。 可以了解的。
29、是并不意图将本发明限制 在特定公开的实施例中， 而是本发明可以通过使用其它特征， 元件方法和实施例来加以实 施。不同实施例中的相似元件通常会标示相似的号码。 0023 如图 1 和图 2 所示， 本发明提供的距离选通超分辨率三维成像装置 1 包括触摸屏 显示器 8、 中心处理器 9、 时序控制器 10、 脉冲激光器 11、 照明光学镜头 12、 选通面阵成像器 件 13 和成像光学镜头 14。该距离选通超分辨率三维成像装置 1 采用脉冲激光器 11 作为照 明光源， 采用选通面阵成像器件 13 接收目标回波信号， 工作中， 利用距离选通成像构造具 有三角形距离能量包络的空间切片 2， 并在三维。
30、成像工作时序下获取前视视场的二维切片 图像， 然后基于摄像机坐标系建立二维切片图像与三维空间切片 2 的对应关系， 由相邻切 片图像间重叠区 5 像素灰度比与距离能量比间的映射关系反演出二维切片图像每个像素 对应的三维空间单元 7 的距离信息， 从而获得前视视场的距离图， 然后基于该距离图通过 摄像机针孔模型反演出每个像素对应的空间单元 7 的三维空间信息， 实现三维成像。 0024 在距离选通超分辨率三维成像装置1中， 脉冲激光器11可采用具有方波时域脉形 的半导体激光器， 在 TTL 触发信号触发下输出具有方波时域脉形的激光脉冲， 并经照明光 学镜头 12 发射对前视视场内目标进行照明， 。
31、当激光传至目标后被目标散射或发射形成后 向传播的回波信号。选通面阵成像器件 13 可选用选通 ICCD(Intensified CCD)， 其选通功 能可由 ICCD 的选通门实现， 选通门在 TTL 触发信号触发下工作， 形成具有方波时域脉形的 选通脉冲， 选通脉冲脉宽对应的是选通面阵成像器件 13 的有效曝光时间， 在此曝光时间内 接收由成像光学镜头 14 收集的来自前视视场内激光照射目标形成的回波信号。时序控制 器 10 可基于 FPGA 实现， 产生所需的三维成像工作时序， 输出两路 TTL 触发信号， 分别触发 脉冲激光器 11 和选通面阵成像器件 13 工作， 可通过 TTL 信号。
32、调节激光脉冲和选通脉冲的 脉宽和重复频率， 设置选通脉冲和激光脉冲间的延时 ； 中心处理器 9 可基于 DSP 和 FPGA 实 现， 主要功能是处理来自选通面阵成像器件 13 的切片图像， 计算反演目标的三维图像 6， 并 可设置照明光学镜头 12 和成像光学镜头 14 的照明视场和成像视场以及时序控制器 10 的 工作参数 ； 触摸屏显示器 8 可采用具有触摸屏功能的平板显示器， 主要功能是显示二维切 片图像或三维图像， 并可输入系统参数及控制命令等。 0025 工作中， 首先利用距离选通成像构造具有三角形距离能量包络的空间切片 2， 并在 三维成像工作时序下获取前视视场的二维切片图像。其。
33、中， 距离选通成像是通过控制激光 脉冲和选通脉冲间的延时实现的， 在激光脉冲发射一定的延时后， 选通面阵成像器件 13 的 选通功能开启形成选通脉冲， 从而只接收前视视场内特定距离的三维立体采样区内的回波 信号， 输出二维切片图像至中心处理器 9。该二维切片图像的像素数由选通面阵成像器件 13 的像元数决定， 其图像像素数为 IJ。每个切片图像对应一个空间切片 2， 即三维立体 采样区， 相应地， 二维切片的每个像素对应空间切片 2 的一个空间单元 7， 则空间切片 2 由 IJ个空间单元7组成。 基于摄像机坐标系可建立二维切片图像与三维空间切片2的对应 关系。选通面阵成像器件 13 的像元数。
34、为 IJ， 其中 I 为选通面阵成像阵列的行数， J 为选 通面阵成像阵列的列数， 则二维切片图像的像素数为IJ。 如图3所示， 二维切片图像在像 平面坐标系下像素 (xi， yj) 通过摄像机针孔模型与三维空间切片 2 在摄像机坐标系下空间 单元 7(Xi， Yj， Zi， j) 可建立如下关系 说 明 书 CN 102927972 A 8 4/6 页 9 0026 (i 1， I， j 1， J) (1) 0027 公式 (1) 中， xi和 yj为切片图像第 i 行第 j 列像素在像平面坐标系下的 x 轴和 y 轴像素坐标， Xi、 Yj和 Zi， j为像素 (xi， yj) 对应的空间。
35、单元 7 在摄像机坐标系下 X 轴、 Y 轴和 Z 轴坐标， f 为成像光学镜头 14 焦距。摄像机坐标系以成像光学镜头 14 的光心为原点， X 轴和 Y 轴与成像平面坐标系的 x 轴和 y 轴平行， Z 轴为成像光学镜头 14 的光轴， 与像平面 垂直， 光轴与像平面的交点为成像平面坐标系的原点。 0028 三维成像工作时序是指脉冲激光器11的激光脉冲和选通面阵成像器件13的选通 脉冲之间的时序关系， 即每个激光脉冲对应一个选通脉冲， 且二者间存在一定的延时， 该时 序由时序控制器 10 产生， 满足 0029 m 0+(m-1)t m 1， M (2) 0030 公式 (2) 中， 0为。
36、选通脉冲和激光脉冲间的初始延时， m 为空间切片 2 的序号， M 为空间切片 2 的总数， m为空间切片 m 对应的选通脉冲和激光脉冲间的延时， t 为延时 步进步长， 满足 0031 t tL tg (3) 0032 公式 (3) 中， tL为激光脉冲脉宽， tg为选通脉冲脉宽。将在延时 m下输出的空间 切片 2 的图像记为切片图像 m， 该切片图像对应的空间切片 2 的切片距离为 0033 m 1， M (4) 0034 公式 (4) 中， m为空间切片 m 对应的选通脉冲和激光脉冲间的延时， c 为光在真 空中的传播速度， n 为大气折射率， Rm为空间切片 m 的切片距离。 0035。
37、 在三维成像工作时序中， 激光脉冲和选通脉冲的脉宽相等， 且两者的脉形均为方 波， 在此种条件下， 激光脉冲和选通脉冲卷积作用后的空间切片 2 的距离能量包络呈三 角形， 存在一上升沿和一下降沿， 分别称为空间切片 2 的头信号区和尾信号区， 从而获得 了具有三角形距离能量包络的空间切片。切片图像 m 对应的空间切片 2 的距离区间为 其中， Rm为空间切片 m 的切片距离， Dhead， m为空间切片 m 的头信号 区景深， Dtail， m为空间切片 m 的尾信号区景深。景深 Dhead， m和 Dtail， m的大小满足 0036 m 1， M(5) 0037 公式 (5) 中， tL为。
38、激光脉冲脉宽， tg为选通脉冲脉宽， c 为光在真空中的传播速度， n 为大气折射率。 0038 由于三维成像工作时序中延时步进步长与激光脉冲宽度和选通脉冲宽度相等， 因 此， 在三维工作时序下相邻空间切片间的头信号区和尾信号区存在交叠， 当前空间切片的 头信号区与上一空间切片的尾信号区完全重叠， 当前空间切片的尾信号区与下一空间切片 的头信号区完全重叠， 相应地， 相邻空间切片对应的切片图像间存在重叠区 5， 同时， 由于像 素灰度与其对应的空间单元 7 的回波信号能量成正比， 因此， 可建立相邻切片图像间重叠 区 5 像素灰度比与空间单元 7 距离能量比间的映射关系如下 说 明 书 CN 。
39、102927972 A 9 5/6 页 10 0039 (i 1， I， j 1， J， m 1， M-1) (6) 0040 公式 (6) 中， m(xi， yj) 为相邻切片图像 m 和 m+1 中的像素 (xi， yj) 的像素灰度 比， Im(xi， yj) 和 Im+1(xi， yj) 分别是像素 (xi， yj) 在切片图像 m 和 m+1 中的灰度强度， ri， j为 空间单元 7(Xi， Yj， Zi， j) 到摄像机坐标系原点的距离， Etail， m(ri， j) 和 Ehead， m+1(ri， j) 分别是像 素 (xi， yj) 对应的空间单元 7(Xi， Yj， Z。
40、i， j) 在空间切片 m 的尾信号区和空间切片 m+1 的头信 号区的回波信号能量方程， 其能量比为 0041 (i 1， I， j 1， J， m 1， M-1) (7) 0042 公式 (7) 中， 公式中 Rm和 Rm+1分别是空间切片 m 和 m+1 对应的切片距离， 满足 ri， j为待测目标距离， n 为大气折射率。 0043 由公式 (6) 和 (7) 可得空间单元 7(Xi， Yj， Zi， j) 到摄像机坐标系原点的距离为 0044 (i 1， I， j 1， J， m 1， M-1)(8) 0045 由公式 (8) 可反演获得选通面阵成像器件 13 每一像元对应的空间单元。
41、 7 的距离 信息， 并用该距离信息作为该像素的像素值， 从而获得距离图。距离图中第 i 行第 j 列像素 的距离 ri， j与空间单元 7(Xi， Yj， Zi， j) 的坐标存在以下关系 0046 (i 1， I， j 1， J) (9) 0047 公式 (9) 与公式 (1) 联立可获得每一像素 (xi， yj) 对应的空间单元 7(Xi， Yj， Zi， j) 的坐标 0048 (i 1， I， j 1， J) (10) 0049 通过公式(10)便可获得每个像素对应的空间单元7的三维空间信息， 从而完成三 维重构。该三维信息反演由中心处理器 9 完成， 三维图像 6 在触摸屏显示器 。
42、8 显示。三维 图像 6 的距离向成像区间为 R1， RM， 其中 R1和 RM分别是切片图像 1 和切片图像 M 对应的 切片距离， 其大小可由公式 (4) 给出， 分别为和其中 1和 M分别是切片图像 1 和 切片图像 M 对应的选通脉冲和激光脉冲间的延时， c 为光在真空中的传播速度， n 为大气折 射率。 0050 基于图 1 至图 3 所示的距离选通超分辨率三维成像装置， 本发明提供的距离选通 超分辨率三维成像方法包括如下步骤 ： 说 明 书 CN 102927972 A 10 6/6 页 11 0051 步骤 1 ： 系统开机 ； 0052 步骤 2 ： 通过触摸屏显示器 8 设置。
43、系统参数 ： 成像视场， 三维成像工作时序参数 ； 0053 步骤 3 ： 参数设置完成后， 系统开始工作， 获取前视视场的二维切片图像， 输出切 片图像至中心处理器 9 ； 0054 步骤 4 ： 中心处理器 9 对采集的二维切片图像进行处理， 实现三维重构， 并输出三 维图像 6 至触摸屏显示器 8 ； 0055 步骤 5 ： 三维成像完毕， 关机。 0056 对于距离选通超分辨率三维成像装置， 本发明搭建了系统原理样机， 进行了初步 的实验。 实验目标约为300m处的楼房， 实验结果如图4所示。 由实验结果可发现， 本发明的 距离选通超分辨率三维成像装置及方法可通过最少两幅图便可反演获得目标的三维图像。 0057 以上所述的具体实施例， 对本发明的目的、 技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明， 所应理解的是， 以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限制本发明， 凡 在本发明的精神和原则之内， 所做的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保 护范围之内。 说 明 书 CN 102927972 A 11 1/2 页 12 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102927972 A 12 2/2 页 13 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102927972 A 13 。