段爭光

(1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 光機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,安徽 蕪湖 241002;2.南京大學(xué)立體成像實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210093)

1 引 言

隨著科技的不斷發(fā)展,對3D成像顯示也有了一定的需求,如尺寸測量、機(jī)器安全、汽車防撞系統(tǒng)、無人機(jī)地形輔助等在眾多領(lǐng)域均有應(yīng)用需求[1]。在近距離目標(biāo)的三維信息獲取方面,相對于立體視覺、結(jié)構(gòu)光測距,Time-of-flight(TOF)測量技術(shù),由于傳感器尺寸小、復(fù)雜度低、測量實(shí)時(shí)性強(qiáng)、分辨率可以達(dá)到厘米級等特點(diǎn),在3D成像應(yīng)用領(lǐng)域成為低成本的測量設(shè)備。為有效說明4相位剖面的距離測量方法,本文針對分辨率為320×240像素的3D TOF芯片epc660的測量原理進(jìn)行介紹,說明其成像的距離測量原理、像素域成像架構(gòu)及誤差消除、信號同步和測量距離數(shù)據(jù)的質(zhì)量判斷,并對實(shí)際物體進(jìn)行測量,以便讀者更好的理解,促使3D TOF測量技術(shù)能在我國快速應(yīng)用。

2 TOF距離測量原理

TOF距離測量原理是根據(jù)光在空氣中傳播的時(shí)間信息,計(jì)算成像像素到場景目標(biāo)的深度信息。TOF成像系統(tǒng)由照明光源(LED、VCSEL、激光二極管)、像素域和控制部分組成。目前TOF測量有直接測量和間接測量兩種方法。如圖1所示為TOF測量原理框圖,實(shí)際測量中照明均勻分布在成像像素域周圍。根據(jù)照明光源發(fā)出的調(diào)制光信號在空間傳輸照射到場景目標(biāo)物后,反射的光信號經(jīng)成像像素域接收,根據(jù)光信號飛行的時(shí)間計(jì)算物體的距離。

圖1 TOF測量原理框圖

直接測量法是直接測量光信號的飛行時(shí)間,計(jì)算場景中物體到成像像素的距離。間接測量法則是計(jì)算調(diào)制光信號的相位差間接計(jì)算光信號的飛行時(shí)間而得名。以間接測量法進(jìn)行說明,發(fā)射的光信號作為參考,采樣接收光信號計(jì)算其相位,得到光信號的飛行時(shí)間,從而得到目標(biāo)物體到3D TOF相機(jī)焦距平面的距離DTOF=cτ/2[2]。

調(diào)制信號可以表述為正弦函數(shù)或余弦函數(shù),以正弦函數(shù)表示調(diào)制近紅外(Near Infrared)發(fā)射器的信號為:

sE(t)=AE[1+sin(2πfmt+φm)]

(1)

式中,1表示正弦調(diào)制信號的直流分量AE;fm為發(fā)射的調(diào)制光信號的頻率；φm是發(fā)射光信號相位。

調(diào)制信號經(jīng)場景目標(biāo)物體反射后,由于與反射相關(guān)的能量吸收、自由路徑傳輸衰減等因素,像素域接收的光信號為:

sR(t)=AR{1+sin[2πfm(t+τ)+φm]}+B

=AR[1+sin(2πfmt+φm+φ)]+B

(2)

其中,AE、AR分別為發(fā)射光、接收光幅值,接收光幅值A(chǔ)R也是發(fā)射光幅值A(chǔ)E的衰減；τ為信號的飛行時(shí)間,對應(yīng)的相移為φ=2πfmτ,B是日光、照明等背景光干擾和其他造成的接收信號偏置。將光信號的飛行時(shí)間τ代入距離公式得:

(3)

3 像素域成像架構(gòu)

像素域如圖2所示,兩行、兩列構(gòu)成一個(gè)“2×2像素組”,在整個(gè)像素域中同時(shí)控制具有相同名稱的像素。即在測量期間行像素同時(shí)控制,在讀出期間列像素同時(shí)控制。每個(gè)像素都有自己的一對存儲(chǔ)門SGA(Storage Gate A)和SGB(Storage Gate B)。在積分期間,存儲(chǔ)門累積由來自場景物體反射的調(diào)制光產(chǎn)生的電荷(e-)。存儲(chǔ)門SGA和SGB分別由解調(diào)后的信號mga(Modulation Gate A control signal)和mgb(Modulation Gate B control signal)控制。測量完成后,讀數(shù)階段開始。存儲(chǔ)在存儲(chǔ)門SGA和SGB中的電荷作差A(yù)-B,使式(2)中偏置AR+B=0,以抑制外來光源的DC或低頻信號的環(huán)境光。最終被模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字值與1位飽和標(biāo)記(saturation,SAT)。12位數(shù)字輸出值是帶符號的值,它顯示了兩個(gè)存儲(chǔ)柵極電荷的差異。只有當(dāng)存儲(chǔ)門SGA或SGB中的電荷不飽和時(shí),無SAT信號,12位數(shù)字量才有效,否則12位數(shù)字量無效。

圖2 像素架構(gòu)和功能框圖

對接收光信號選擇四個(gè)微分截面(differential cross section,DCS)幀進(jìn)行采樣。采樣點(diǎn)以發(fā)射光信號作為基準(zhǔn),解調(diào)信號的采樣相位分別選擇在90°、180°、270°、360°,并分別與之對應(yīng)的180°相反的解調(diào)信號構(gòu)成一對,分別控制一個(gè)像素中的兩存儲(chǔ)門。如圖2所示,DCS0幀的解調(diào)門控制信號mga0和mgb0相位反向。如圖3顯示了接收交流信號的采樣點(diǎn)對應(yīng)發(fā)射交流信號的相位分別為90°、180°、270°和360°,采樣的4個(gè)幀分別稱為DCS0、DCS1、DCS2、DCS3。

圖3 接收交流信號的采樣點(diǎn)

將采樣點(diǎn)的相移代入式(2),可以得到接收光信號

DCS1=ARsin(π+φ)=-ARsinφ

DCS3=ARsin(2π+φ)=ARsinφ

(4)

根據(jù)正弦函數(shù)的定義,通過運(yùn)算我們可以得到:

(5)

(6)

使用反正切函數(shù)保證相位在(-π,+π)范圍內(nèi),用于距離計(jì)算。而在的實(shí)際應(yīng)用中,式(6)中0°～360°的相移范圍對應(yīng)從0 m到測量的最大距離,也就是光信號在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)飛行的距離[3]。當(dāng)然,也可以測量該距離之外的目標(biāo),如飛行時(shí)間在第二個(gè)調(diào)制周期內(nèi)的目標(biāo),只要增加光信號在一個(gè)調(diào)制周期飛行時(shí)間的距離即可。

4 測量信號的同步

發(fā)射信號選用近紅外線發(fā)光二極管(Infrared Emitting Diode,IRED)。調(diào)制頻率為24 MHz、占空比50 %的方波調(diào)制信號,經(jīng)epc 660輸出后通過低通濾波器獲得正弦波,在運(yùn)行期間IRED的峰值電流可達(dá)500 mA。如圖4所示,調(diào)制信號由調(diào)制器Modulator發(fā)出led_mod信號后,經(jīng)過內(nèi)置的延遲鎖相環(huán)DLL(Delay Locked Loop)電路,通過其內(nèi)部的可控延遲單元x-Delay后,送入調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元LED Driver,調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元輸出后再經(jīng)低通濾波電路驅(qū)動(dòng)外部的IRED去照射場景中的物體,如圖4中信號led mod至電阻R3連接點(diǎn)B部分。同時(shí)調(diào)制器Modulator發(fā)出調(diào)制信號mga,經(jīng)過解調(diào)器Demodulator后控制像素中的存儲(chǔ)門SGA和SGB(SGA,SGB分別由mga,mgb控制),如圖4中信號mga至像素區(qū)域A點(diǎn)。

到達(dá)像素的信號mga(點(diǎn)A)與驅(qū)動(dòng)IRED(點(diǎn)B)反饋的電流信號LEDFB送入延遲鎖相環(huán)DLL(如圖4所示像素區(qū)域A點(diǎn)至信號mga_ref,信號LEDFB至信號led fb兩部分),通過DLL內(nèi)的相位檢測單元比較兩個(gè)信號的相位差,調(diào)整延遲單元x-Delay,控制IRED驅(qū)動(dòng)信號的相位,使A、B兩點(diǎn)信號的相位相同。到達(dá)IRED的驅(qū)動(dòng)信號和達(dá)到像素點(diǎn)的解調(diào)信號的同步,即是保證了發(fā)射信號和接收信號的同步,從而最大限度地減少了調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元LED Driver和外部LED/LD受系統(tǒng)的溫度、老化等影響造成的相位穩(wěn)定性?？梢奃LL減少了信號相位延遲的長期偏差,因此可以減小測量距離的誤差。

圖4 簡化的硬件框圖

圖4中從電阻分壓器R1、R2之間的連接節(jié)點(diǎn)到LEDFB引腳之間反饋的路徑延遲無法避免。盡可能將PCB上的電阻分壓器靠近LEDFB引腳來減小偏差,同時(shí)其他有噪聲的電路應(yīng)遠(yuǎn)離LEDFB引腳和電阻分壓器R1、R2。

5 距離測量結(jié)果的質(zhì)量指標(biāo)

距離測量時(shí)會(huì)受到環(huán)境光、溫度變化的影響,環(huán)境光的測量是在灰度模式下進(jìn)行的。為了實(shí)現(xiàn)更精確的環(huán)境光補(bǔ)償,采用無照明的灰度測量捕獲背景光水平,即在沒有照明光源的情況下,TOF相機(jī)對目標(biāo)環(huán)境進(jìn)行灰度測量,該測量值作為距離計(jì)算的質(zhì)量和校正參數(shù)。

DCS數(shù)值不僅包含距離信息,還包含接收光信號的質(zhì)量和有效性。接收信號越好,距離測量越好,越精確。每個(gè)像素的距離測量都有其自身的有效性和質(zhì)量。距離測量數(shù)據(jù)的主要質(zhì)量指標(biāo)是接收的調(diào)制光的峰-峰值A(chǔ)TOFsinPP。

(7)

幅度值與距離噪聲直接相關(guān),如圖5所示可知接收信號的平均幅值A(chǔ)TOF較小時(shí),距離噪聲較大[4]。因此把幅度值也作為反饋參數(shù),用于設(shè)置下一次測量的積分時(shí)間。

圖5 距離噪聲與無環(huán)境光時(shí)的平均幅值關(guān)系

在正弦調(diào)制情況下,噪聲影響估計(jì)的概率密度函數(shù)可以由標(biāo)準(zhǔn)偏差的高斯近似[5]:

(8)

距離噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差σρ確定距離測量的精度,與調(diào)制頻率fm,接收的調(diào)制光幅值A(chǔ)和背景強(qiáng)度等造成的接收信號偏置B直接相關(guān)。從式(8)可見,如果接收的調(diào)制信號幅值A(chǔ)增加,則距離噪聲減小,精度提高。隨著接收信號的干擾偏置B增加,則距離噪聲也增加,精度會(huì)降低?？梢婋S著場景背景紅外照明的降低,精度會(huì)提高。同時(shí)干擾偏置B可能由兩個(gè)因素增加:接收信號幅值A(chǔ)增加或背景照明增加。如果背景照明增加,則精度變差?？紤]到式(8)中B平方根的比例關(guān)系,當(dāng)積分時(shí)間變長,接收信號幅值、干擾偏置B增加時(shí),距離的總體精度會(huì)提高。

可見,接收信號的幅值越高,距離測量越好,越精確。然而,優(yōu)良作法是控制積分時(shí)間使接收光具有較好的信號強(qiáng)度,應(yīng)控制積分時(shí)間較為理想的是調(diào)制光的峰-峰值在200～2000 LSB內(nèi)。較高的值僅會(huì)因較長的積分時(shí)間而降低采集速率,并不會(huì)顯著提高信噪比。

灰度測量時(shí)僅讀取DCS0,采用單端模式控制調(diào)制門A(MGA)?；叶饶Ｊ讲煌诓罘帜Ｊ?輸出結(jié)果雖然是有符號的數(shù)值,但僅有正數(shù)值有效(噪聲除外,系統(tǒng)噪聲在0附近且很小)。此時(shí)飽和標(biāo)志位無效。通過DCS0可以計(jì)算各像素灰度信號的輻照度EBW[2],與3D TOF距離測量計(jì)算的像素調(diào)制信號的輻照度ETOF用來判斷距離測量的質(zhì)量指標(biāo),即環(huán)境光輻照度/調(diào)制光輻照度的比率AMR(Ratio of ambient-light/modulated light),并用分貝表示?？煽康木嚯x值其AMR應(yīng)小于70 dB。

(9)

有效性指標(biāo)是根據(jù)距離噪聲來判斷測量的數(shù)據(jù),有助于檢測由于不當(dāng)?shù)恼彰?如太多或較少)、不合理的積分時(shí)間(如太長或太短)而導(dǎo)致飽和或未照亮的像素。如像素飽和則減小積分時(shí)間、降低環(huán)境光或同時(shí)減小積分時(shí)間和降低環(huán)境光；若DCSx>2000 LSB時(shí),減小積分時(shí)間；若DCSx≤25 LSB時(shí),增加積分時(shí)間、增強(qiáng)照明或同時(shí)增加積分時(shí)間與增強(qiáng)照明；若DCSx滿足測量要求,而調(diào)制光峰-峰值過高,應(yīng)減小積分時(shí)間或降低照明；若DCSx滿足測量要求,而調(diào)制光峰-峰值過低,應(yīng)增加積分時(shí)間或增強(qiáng)照明；若環(huán)境光輻照度/調(diào)制光輻照度的比值A(chǔ)MR過大,則增加積分時(shí)間或增強(qiáng)環(huán)境光?？梢娫谫|(zhì)量判斷時(shí),應(yīng)根據(jù)像素飽和標(biāo)志、值,噪聲水平、調(diào)制光峰-峰值和環(huán)境光輻照度/調(diào)制光輻照度的比值A(chǔ)MR等參數(shù)是否滿足要求,若不滿足要求應(yīng)根據(jù)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。只有全部滿足各參數(shù)要求時(shí)為有效數(shù)據(jù)。因此距離測量的有效性和質(zhì)量參數(shù)判斷是保證測量數(shù)據(jù)有效的前提。

6 測量結(jié)果

本文針對測量范圍內(nèi)的物體進(jìn)行拍攝,物體及拍攝圖片如圖6(a)、(b)所示。在拍攝區(qū)域A周圍物體的反射率高,輻照度大,造成測量的數(shù)字量飽和,而目標(biāo)物的測量距離可以清晰分辨,如物體區(qū)域B中點(diǎn)C在成像區(qū)域所在的像素位置為(162,122),距離相機(jī)的測量距離DTOFC=93.1 cm,距離噪聲σ=0.1 cm。四個(gè)微分截面幀(DCS0,DCS1,DCS2,DCS3)讀取的距離如圖6(c)所示,不同的灰度值代表測量的不同距離數(shù)值,其中方形點(diǎn)陣區(qū)域?yàn)榻嚯x高反射率物體造成測量的距離數(shù)字量飽和,對應(yīng)于距離測量圖6(b)中方形點(diǎn)陣區(qū)域。

圖6 距離測量