一种3D识别装置、3D识别系统的制作方法

一种3d识别装置、3d识别系统
技术领域
1.本技术一般涉及3d技术领域，具体涉及一种3d识别装置、3d识别系统。


背景技术：

2.3d立体成像技术克服了传统2d成像技术仅能获取客观世界二维信息的缺陷，实现了对深度信息(物体到相机距离)的准确采集，在人机交互、三维重建、安防监控、机器视觉等领域有着广泛的应用前景。
3.随着人脸识别门禁、人脸支付等对安全性要求极高的场景出现，对活体检测、真实性检测迫在眉睫，因此导致3d立体成像技术的诞生并且被大家所熟识，越来越多的应用于消费类支付、识别等行业。
4.然而，从3d立体成像的实际效果看，还是有很大的局限性，如果在室外阳光直射物体造成过曝以及其他比较特殊的场景下，造成整个深度信息无法计算，没办法输出具体的物体的3d信息。


技术实现要素：

5.鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种3d识别装置、3d识别系统，可以提高3d显示效果。
6.第一方面，本技术提供了一种3d识别装置，包括：
7.光发射模组，被配置用于向被测物表面发射光线；
8.第一接收模组，被配置用于接收至少部分所述被测物表面反射回来的光线；
9.第二接收模组，被配置用于接收至少部分所述被测物表面发射回来的光线；
10.其中，所述第一接收模组在靠近所述被测物的一侧设置有第一偏振片，和/或所述第二接收模组在靠近所述被测物的一侧设置有第二偏振片。
11.可选地，所述第一偏振片和所述第二偏振片的偏振角度相同。
12.可选地，所述第一偏振片和所述第二偏振片的偏振角度不同。
13.可选地，所述第一偏振片的偏振角度为0
‑
180
°
，所述第二偏振片的偏振角度为0
‑
180
°
。可选地，所述第一接收模组和所述第二接收模组位于所述光发射模组的同一侧或者所述第一接收模组和所述第二接收模组位于所述光发射模组的不同侧。
14.可选地，所述光发射模组包括光源和衍射光学元件，所述光源包括高对比度垂直腔面发射激光器、单孔宽面型垂直腔面发射激光器、阵列式垂直腔面发射激光器、激光二极管、led光源中的一种或多种。
15.第二方面，本技术提供了一种3d识别系统，包括如以上任一所述的3d识别装置，其中，所述3d识别系统为3d结构光识别系统，
16.光发射模组，被配置用于向所述被测物表面发射编码后的结构光；
17.第一接收模组，被配置用于接收至少部分所述被测物表面反射回来的结构光而获取与所述被测物相关的第一图像；
18.第二接收模组，被配置用于接收至少部分所述被测物表面反射回来的结构光而获取与所述被测物相关的第二图像；
19.数据处理单元，被配置用于获取所述第一图像和所述第二图像，基于所述第一图像和所述第二图像建立所述被测物的3d深度信息。
20.第三方面，本技术提供了一种3d识别系统，包括如以上任一所述的3d识别装置，其中，所述3d识别系统为3d tof识别系统，
21.光发射模组，被配置用于向所述被测物表面发射tof光；
22.第一接收模组，被配置用于接收至少部分所述被测物表面反射回来的tof光而获取与所述被测物相关的第一图像；
23.第二接收模组，被配置用于接收至少部分所述被测物表面反射回来的tof光而获取与所述被测物相关的第二图像；
24.数据处理单元，被配置用于获取所述第一图像和所述第二图像，基于所述第一图像和所述第二图像建立所述被测物的3d深度信息。
25.第四方面，本技术提供了一种3d识别系统，所述3d识别系统为双目视觉识别系统，包括主动双目视觉单元和被动双目视觉单元，其中，所述主动双目视觉单元包括如以上任一所述的3d识别装置，所述被动双目视觉单元中设置有第三接收模组和第四接收模组，所述第三接收模组在靠近所述被测物的一侧设置有第三偏振片，和/或所述第四接收模组在靠近所述被测物的一侧设置有第四偏振片，其中，
26.所述光发射模组，被配置用于向所述被测物表面发射编码后的结构光或者tof光；
27.所述第一接收模组，被配置用于接收至少部分所述被测物表面反射回来的结构光或者tof光而获取与所述被测物相关的第一图像；
28.所述第二接收模组，被配置用于接收至少部分所述被测物表面反射回来的结构光或者tof光而获取与所述被测物相关的第二图像；
29.所述第三接收模组，被配置用于接收至少部分所述被测物表面反射回来的结构光或者tof光而获取与所述被测物相关的第三图像；
30.所述第四接收模组，被配置用于接收至少部分所述被测物表面反射回来的结构光或者tof光而获取与所述被测物相关的第四图像；
31.数据处理单元，被配置用于获取所述第一图像和所述第二图像，基于所述第一图像和所述第二图像建立所述被测物的主动双目显示的3d深度信息；还被配置用于获取所述第三图像和所述第四图像，基于所述第三图像和所述第四图像建立所述被测物的被动双目显示的3d深度信息。
32.第五方面，本技术提供了一种3d识别方法，应用于如以上任一所述的3d识别系统，其特征在于，包括：
33.通过光发射模组向被测物表面发射光线；
34.通过第一接收模组获取与所述被测物相关的第一图像；
35.通过第二接收模组获取与所述被测物相关的第二图像；
36.通过数据处理单元对比所述第一图像和所述第二图像，选取其中一张图像作为标准图像，或者，通过数据处理单元对所述第一图像和所述第二图像处理获得标准图像；
37.对所述标准图像进行后处理获得所述被测物的3d深度信息。
38.本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
39.本技术实施例提供的3d识别装置包括一颗光发射模组和两颗接收模组，通过接收模组前部安装的偏振片的不同组合搭配方式，使在一些场景中可以通过接收的图像的不同亮度，选择输出的较优的图像或者通过两张图像进行一些后端合成后再进行输出，使3d识别系统的扩大到更多的使用场景。
附图说明
40.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
41.图1为本技术的实施例提供的第一种3d识别装置的结构示意图；
42.图2为本技术的实施例提供的第二种3d识别装置的结构示意图；
43.图3为本技术的实施例提供的第三种3d识别装置的结构示意图；
44.图4为本技术的实施例提供的第四种3d识别装置的结构示意图；
45.图5为本技术的实施例提供的一种3d识别方法的流程图；
46.图6为本技术的实施例提供的3d结构光识别的原理示意图；
47.图7为3d结构光识别中的一种环境光过曝的图像；
48.图8为本技术的实施例提供的3d结构光识别后的图像；
49.图9为本技术的实施例提供的另一种3d识别方法的流程图；
50.图10为本技术的实施例提供的3d tof识别的一种原理示意图；
51.图11为本技术的实施例提供的3d tof识别的另一种原理示意图；
52.图12为3d tof识别中的一种环境光过曝的图像；
53.图13为本技术的实施例提供的3d tof识别后的图像；
54.图14为本技术的实施例提供的主动双目视觉单元的结构示意图；
55.图15为本技术的实施例提供的被动双目视觉单元的结构示意图；
56.图16为本技术的实施例提供的双目立体视觉的一种原理示意图。
57.10、光发射模组；20、第一接收模组；201、第一偏振片；30、第二接收模组；301、第二偏振片；40、彩色模组；50、第三接收模组；501、第三偏振片；60、第四接收模组；100、主动双目视觉单元；200、被动双目视觉单元。
具体实施方式
58.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
59.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
60.请详见图1
‑
4，第一方面，本技术提供了一种3d识别装置，包括：
61.光发射模组10，被配置用于向被测物表面发射光线；
62.第一接收模组20，被配置用于接收至少部分所述被测物表面反射回来的光线；
63.第二接收模组30，被配置用于接收至少部分所述被测物表面发射回来的光线；
64.其中，所述第一接收模组20在靠近所述被测物的一侧设置有第一偏振片201，和/或所述第二接收模组30在靠近所述被测物的一侧设置有第二偏振片301。
65.另外，本技术实施例提供的3d识别系统还包括彩色模组40，被配置用于用来获取所述被测物表面的彩色图像。彩色图像以及物体的纹理信息，配合深度图像后可由数据处理器单元渲染输出为场景的三维图像。
66.在一些实施例中，所述第一偏振片201和所述第二偏振片301的偏振角度相同，所述第一偏振片201的偏振角度为0
‑
180
°
，所述第二偏振片301的偏振角度为0
‑
180
°
。
67.在一些实施例中，所述第一偏振片201和所述第二偏振片301的偏振角度不同，所述第一偏振片201的偏振角度为0
‑
180
°
，所述第二偏振片301的偏振角度为0
‑
180
°
。
68.可以适用的偏振片的设置形式有多种：1)一颗模组有偏振片、一颗模组无偏振片；2)两颗模组有偏振片，且偏振片过的光线的角度一致，如图3中所示，第一偏振片201和第二偏振片301的偏振角度一致)；3)两颗模组有偏振片，且偏振片过的光线的角度不一致，如图4中所示的第一偏振片201的偏振角度是0
°
、第二偏振片301的偏振角度是90
°
；4)两颗模组有偏振片，且偏振片过的光线角度不一致，两颗偏振片的偏振角度可以随意，0
°
～180
°
之间均可以。
69.另外，在具体设置时，所述第一接收模组20和所述第二接收模组30位于所述光发射模组10的同一侧或者所述第一接收模组20和所述第二接收模组30位于所述光发射模组10的不同侧。本技术实施例中不限制第一接收模组20和第二接收模组30的位置，可以根据不同的适用场景适用不同的识别装置。
70.所述光发射模组10包括但不限于光源和衍射光学元件，所述光源包括高对比度垂直腔面发射激光器、单孔宽面型垂直腔面发射激光器、阵列式垂直腔面发射激光器、激光二极管、led光源中的一种或多种。所述光发射模组10还可以包括其他功能的光学元件，在具体设置时，可以根据不同应用场景，对光源进行适当调整，例如微透镜阵列、光栅等。
71.其中，所述光源(未示出)用于发射光束，所述衍射光学元件(未示出)，设于光源的出光侧，其用于接收光束并向被测物表面投影光线。衍射光学元件(doe，英文全称：diffraction optical elements)实现多路光输出。
72.所述光源可以是红外光束，所述光源可以也是vcsel(vertical cavity surface emitting laser)，所述光源通过衍射光学元件发射红外的结构光和/或泛光作为对象识别信号。
73.其中，光源发射的光束可以为图案光束，图案光束例如呈不规则点阵、网格式、条纹式、或编码式等图案。所述衍射光学元件可以将光源发射的光束进行分束扩展成多个光束作为对象识别信号。所述衍射光学元件还可以将光源发射的光束扩展成多个基本覆盖填充被照射空间的红外泛光，被照射空间的各区域光强分布基本均匀。
74.需要说明的是，本技术实施例中，对象识别信号例如但不限于图案光束和图像。图案光束例如呈不规则点阵、网格式、条纹式、或编码式等图案。本技术实施例中的3d识别装置可以于各种3d技术，目前行业中3d技术主要有结构光、tof、双目等。
75.实施例一
76.本技术提供了一种3d识别系统，其中，所述3d识别系统为3d结构光识别系统，如图1所示，包括：
77.光发射模组10，被配置用于向所述被测物表面发射编码后的结构光；
78.第一接收模组20，被配置用于接收至少部分所述被测物表面反射回来的结构光而获取与所述被测物相关的第一图像；
79.第二接收模组30，被配置用于接收至少部分所述被测物表面反射回来的结构光而获取与所述被测物相关的第二图像；
80.数据处理单元，被配置用于获取所述第一图像和所述第二图像，基于所述第一图像和所述第二图像建立所述被测物的3d深度信息。
81.3d结构光拍摄物体时，由于一些特殊的原因造成出现部分图像内出现眩光等情况，没办法直接看清拍摄物体，在此基础上两个接收模组的偏振片起到的效果不同，可看出接收模组接收的右侧图像是可以分辨出识别光点的，选取此成像效果更优的进行后端算法计算，输出较好的深度信息及深度图。
82.如图5所示，本技术提供了一种3d识别方法，应用于如以上所述的3d识别系统，包括：
83.st11、通过光发射模组10向被测物表面发射光线；
84.st12、通过第一接收模组20获取与所述被测物相关的第一图像；
85.st13、通过第二接收模组30获取与所述被测物相关的第二图像；
86.st14、通过数据处理单元对比所述第一图像和所述第二图像，选取其中一张图像作为标准图像，或者，通过数据处理单元对所述第一图像和所述第二图像处理获得标准图像；
87.st15、对所述标准图像进行后处理获得所述被测物的3d深度信息。
88.在步骤st11中，通过光发射模组10向被测物表面发射的光线为图案光束，在本技术实施例中，图案光束例如呈不规则点阵、网格式、条纹式、或编码式等图案。本技术实施例中以不规则点阵为示例性说明。
89.在步骤st14中，可以选取第一图像和第二图像中图像效果表现更优的一张图像作为后处理的标准图像；或者对第一图像和第二图像进行图像叠加合成，形成一张新的图像作为后处理的标准图像。
90.需要说明的是，在本技术实施例中数据处理单元对第一图像和第二图像的处理，包括但不限于图像变换、图像增强和复原、图像分割、图像编码、图像描述和图像识别。
91.对于图像处理领域，图像变换：如傅立叶变换、沃尔什变换、离散余弦变换等间接处理技术，将空间域的处理转换为变换域处理，不仅可减少计算量，而且可获得更有效的处理。图像编码：压缩图像编码压缩技术可减少描述图像的数据量(即比特数)，以便节省图像传输、处理时间和减少所占用的存储器容量。图像增强和复原：图像增强和复原的目的是为了提高图像的质量，如去除噪声，提高图像的清晰度等。图像分割：图像分割是数字图像处理中的关键技术之一。图像分割是将图像中有意义的特征部分提取出来，其有意义的特征有图像中的边缘、区域等，这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。图像描述：图像描述是图像识别和理解的必要前提。作为最简单的二值图像可采用其几何特性描述物体的特性，一般图像的描述方法采用二维形状描述，它有边界描述和区域描述两类方法。图像识别：图像识别属于模式识别的范畴，其主要内容是图像经过某些预处理(增强、复原、压缩)后，进行图像分割和特征提取，从而进行判决分类。
92.已知空间方向光束的投影集合称为结构光(structured light)。3d结构光原理，如图6所示：采用特定波长、不可见的红外激光作为光源，发射出来的光经光学衍射元件(doe)形成具有一定编码规则的图像投影在物体上，同时接收模组会接收到物体表面上具有编码规则的图像，然后基于光学三角法测量原理进行计算返回的编码图案的畸变来得到物体的位置和深度信息。即3d结构光模组会设定在特定距离下的参考面烧录一张参考图，而参考图的会包含一些特定的信息，而实际拍摄物体表面的图会与之前确定的参考图进行比对后，确认两者之间的差异情况后经过算法计算后会转化为深度图展示。
93.另外需要说明的是，在本技术实施例中，利用现有技术中其他处理方式对标准图像进行后处理，获得图像深度图，本技术在此不再赘述，无论哪种处理方式，在不违背本技术的发明构思的基础上，均属于本技术的保护范围。
94.在消费类支付行业中的支付类设备等使用场景逐步由室内扩展到室外，但是结构光在室外高照度情况下往往会出现物体表面的编码图像淹没在外部的环境光中，无法有效的识别及采集出物体的深度信息，使之深度图成像出现缺失，造成支付失败。
95.在正常环境中，光发射模组10与正常的接收模组(例如未设置偏光片的接收模组)的搭配可以实时的出深度图，不会出现问题；而如果出现如图7所示的环境光过曝的情况，通过发射模组与存在偏振片的接收模组的搭配，来降低整个亮度，使光斑点能够与环境光进行区分，如图8所示，这样可以保证深度图可以正常输出，可以提升室外高照度情况下深度图的效果。
96.实施例二
97.本技术提供了一种3d识别系统，所述3d识别系统为3d tof识别系统，如图2所示，包括：
98.光发射模组10，被配置用于向所述被测物表面发射tof光；
99.第一接收模组20，被配置用于接收至少部分所述被测物表面反射回来的tof光而获取与所述被测物相关的第一图像；
100.第二接收模组30，被配置用于接收至少部分所述被测物表面反射回来的tof光而获取与所述被测物相关的第二图像；
101.数据处理单元，被配置用于获取所述第一图像和所述第二图像，基于所述第一图像和所述第二图像建立所述被测物的3d深度信息。
102.3d tof中拍摄物体时，由于一些特殊的原因造成出现部分图像内出现眩光等情况，没办法直接看清拍摄物体，在此基础上两个接收模组的偏振片起到的效果不同，可看出接收模组接收的右侧图像是可以分辨出物体的，选取此成像效果更优的进行后端算法计算，输出较好的深度信息及深度图。
103.如图9所示，本技术提供了一种3d识别方法，应用于如以上任一所述的3d识别系统，包括：
104.st21、通过光发射模组10向被测物表面发射tof光线；
105.st22、通过第一接收模组20获取与所述被测物相关的第一图像；
106.st23、通过第二接收模组30获取与所述被测物相关的第二图像；
107.st24、通过数据处理单元对比所述第一图像和所述第二图像，选取其中一张图像作为标准图像，或者，通过数据处理单元对所述第一图像和所述第二图像处理获得标准图
像；
108.st25、对所述标准图像进行后处理获得所述被测物的3d深度信息。
109.tof(time of flight)，直译为飞行时间。tof成像装置的工作原理是通过激光发射模组10给被测目标连续发送光脉冲，然后tof相机接收从物体返回的光信号，最后通过tof成像装置的控制系统计算发射和接收光信号的飞行(往返)时间来得到被测目标的距离。与超声波测距不同的是超声波测距对反射物体要求比较高，面积小的物体，如线、锥形物体就基本测不到，而tof成像装置对被测物体要求的尺寸、面积等要求更低，测距精度高、测距远、响应快。
110.tof根据调制方法的不同，可分为：
111.1)脉冲调制(pulsed modulation，dtof)：直接根据脉冲发射和接收的时间差来测算距离；如图10所示。
112.2)连续波调制(continuous wave modulation，itof)：通常采用的是正弦波调制。由于接收端和发射端正弦波的相位偏移和物体距离摄像头的距离成正比，因此可以利用相位偏移来测量距离。如图11所示。
113.需要说明的是，在本技术实施例中，利用现有技术中其他方式对标准图像进行后处理，获得图像深度图，本技术在此不再赘述，无论哪种处理方式，在不违背本技术的发明构思的基础上，均属于本技术的保护范围。
114.实施例三
115.本技术提供了一种3d识别系统，所述3d识别系统为双目视觉识别系统，包括主动双目视觉单元100和被动双目视觉单元200，其中，如图14所示，所述主动双目视觉单元100包括如以上任一所述的3d识别装置，如图15所示，所述被动双目视觉单元200中设置有第三接收模组50和第四接收模组60，所述第三接收模组50在靠近所述被测物的一侧设置有第三偏振片501，和/或所述第四接收模组60在靠近所述被测物的一侧设置有第四偏振片，其中，
116.所述光发射模组10，被配置用于向所述被测物表面发射编码后的结构光或者tof光；
117.所述第一接收模组20，被配置用于接收至少部分所述被测物表面反射回来的结构光或者tof光而获取与所述被测物相关的第一图像；
118.所述第二接收模组30，被配置用于接收至少部分所述被测物表面反射回来的结构光或者tof光而获取与所述被测物相关的第二图像；
119.所述第三接收模组50，被配置用于接收至少部分所述被测物表面反射回来的结构光或者tof光而获取与所述被测物相关的第三图像；
120.所述第四接收模组60，被配置用于接收至少部分所述被测物表面反射回来的结构光或者tof光而获取与所述被测物相关的第四图像；
121.数据处理单元，被配置用于获取所述第一图像和所述第二图像，基于所述第一图像和所述第二图像建立所述被测物的主动双目显示的3d深度信息；还被配置用于获取所述第三图像和所述第四图像，基于所述第三图像和所述第四图像建立所述被测物的被动双目显示的3d深度信息。
122.本技术提供的3d双目视觉系统中，主动双目中使用的光源可以是上述阐述的多种光源中的其中一种的光发射模组10，两颗接收模组前部有可过相同或不同角度的偏振片，
对于两个接收模组分别接收的图像通过后端的算法计算后可以更好的输出物体的3d深度信息。而被动双目中可以不使用光源，两颗接收模组前部有可过相同或不同角度的偏振片，通过对于两个接收模组分别接收的图像通过后端的算法计算后可以更好的输出物体的3d深度信息。
123.本技术提供了一种3d识别方法，应用于如以上任一所述的3d识别系统，包括：
124.st31、通过光发射模组10向被测物表面发射光线；
125.st32、通过第一接收模组20获取与所述被测物相关的第一图像；
126.st33、通过第二接收模组30获取与所述被测物相关的第二图像；
127.st34、通过数据处理单元对比所述第一图像和所述第二图像，选取其中一张图像作为标准图像，或者，通过数据处理单元对所述第一图像和所述第二图像处理获得标准图像；
128.st35、对所述标准图像进行后处理获得所述被测物的3d深度信息。
129.如图16所示，双目立体视觉是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息的方法，双目视觉仅依靠图像进行特征匹配，在使用双目视觉相机前必须对双目中两个摄像头的位置进行精确标定。
130.本技术实施例中，可根据不同的应用场景及环境条件执行不同的工作模式，例如：在对3d成像的精度要求极高的应用场景，如人脸认证、人脸支付等，且目标物体距离较近时，可以执行单目模式；可以理解的是，单目模式下往往测量范围相对较小，因此如要测量范围更广的深度图像，可以执行双目模式，虽然投影模组的投影视场角没有变，但由于两个接收模组采集结构光图像的总采集视场角大于单个接收模组采集的结构光图像的采集视场角，因此利用两个接收模组就可以得到比单个接收模组视场角更广的图像。
131.另外需要说明的是，在本技术实施例中，在主动双目中的光发射模组10可以采用结构光单元结构，也可以采用tof单元结构，本技术对此不进行限制。对于结构光和tof光的处理方式，可以采用现有技术中的不同方式，本技术在此不再赘述，无论哪种处理方式，在不违背本技术的发明构思的基础上，均属于本技术的保护范围。
132.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
133.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
134.除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本实用新型。本文中出现的诸如“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施
方式中不适用或是另有说明。
135.本实用新型已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本实用新型限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本实用新型的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本实用新型所要求保护的范围以内。