使用变化密度的投影图案进行距离测量

摘要

在一个示例中，一种方法包括：指示距离传感器的图案投影仪将光的图案投影到物体上，其中，该图案包括多个平行行的投影伪像，并且其中，在多个平行行的第一行中的投影伪像的空间密度不同于在多个平行行的第二行中的投影伪像的空间密度；指示距离传感器的相机获取物体的图像，其中图像包括光的图案；以及基于对图像的分析来计算从距离传感器到物体的距离。

说明书

本申请要求于2018年3月20日提交的美国临时专利申请序列号62/645,185的优先权，该临时申请通过引用整体地并入本文中。

背景技术

美国专利申请序列号14/920,246、15/149,323和15/149,429描述了距离传感器的各种配置。这样的距离传感器在各种各样的应用中可能是有用的，这些应用包括安全性、游戏、对无人驾驶车辆的控制以及其他应用。

在这些应用中描述的距离传感器包括：投影系统（例如，包括激光器、衍射光学元件和/或其他协作组件），该投影系统将以人眼基本上看不见的波长的光束（例如，红外线）投影到视场中。光束展开以创建可以由适当的光接收系统（例如，透镜、图像捕获设备和/或其他组件）检测到的（点、破折号或其他伪像）的图案。当图案入射到视场中的物体上时，可以基于图案在视场的一个或多个图像中的外观（例如，点、破折号或其他伪像的位置关系）来计算从传感器到物体的距离，可以由传感器的光接收系统来捕获视场的一个或多个图像。还可以确定物体的形状和尺寸。

例如，图案的外观可以随着到物体的距离而变化。作为示例，如果图案包括点的图案，则当物体更靠近传感器时，点可以看起来彼此更靠近，并且当物体更远离传感器时，点可以看起来距彼此更远。

发明内容

在一个示例中，一种方法包括：指示距离传感器的图案投影仪将光的图案投影到物体上，其中，该图案包括多个平行行（parallel rows）的投影伪像，并且其中，在多个平行行的第一行中的投影伪像的空间密度不同于在多个平行行的第二行中的投影伪像的空间密度；指示距离传感器的相机获取物体的图像，其中图像包括光的图案；以及基于对图像的分析来计算从距离传感器到物体的距离。

在另一个示例中，非暂时性机器可读存储介质被编码有可由处理器执行的指令。当被执行时，该指令使处理器实行操作，该操作包括：指示距离传感器的图案投影仪将光的图案投影到物体上，其中，该图案包括多个平行行的投影伪像，并且其中，在多个平行行的第一行中的投影伪像的空间密度不同于在多个平行行的第二行中的投影伪像的空间密度；指示距离传感器的相机获取物体的图像，其中图像包括光的图案；以及基于对图像的分析来计算从距离传感器到物体的距离。

在另一个示例中，距离传感器包括：图案投影仪，用于将光的图案投影到物体上，其中，该图案包括多个平行行的投影伪像，并且其中，在多个平行行的第一行中的投影伪像的空间密度不同于在多个平行行的第二行中的投影伪像的空间密度；相机，用于获取物体的图像，其中图像包括光的图案；以及处理系统，用于基于对图像的分析来计算从距离传感器到物体的距离。

附图说明

图1图示了可以由距离传感器的光投影系统投影的示例投影图案；

图2图示了被放大成高密度图案的图1的图案；

图3图示了可以由距离传感器的光投影系统投影的另一个示例投影图案；

图4图示了可以由距离传感器的光投影系统投影的另一个示例投影图案；

图5图示了可以由距离传感器的光投影系统投影的另一个示例投影图案；

图6图示了可以由距离传感器的光投影系统投影的另一个示例投影图案；

图7是图示了根据本公开的使用变化密度的投影图案进行距离测量的方法的一个示例的流程图；以及

图8描绘了用于计算从传感器到物体的距离的示例电子设备的高级框图。

具体实施方式

本公开广泛地描述了用于使用变化密度的投影图案进行距离测量的装置、方法和非暂时性计算机可读介质。如上面所讨论的，诸如美国专利申请序列号14/920,246、15/149,323和15/149,429中描述的那些之类的距离传感器通过以下方式来确定到物体的距离（以及潜在地，确定物体的形状和尺寸），该方式为在包括物体的视场中投影光束，该光束展开以创建（例如，点、破折号或其他伪像）的图案。光束可以从一个或多个激光光源投影，该激光光源发射的波长的光对于人眼基本上是不可见的，但是对于适当的检测器（例如，光接收系统的检测器）是可见的。然后可以基于图案对检测器的外观（appearance）来计算到物体的三维距离。

如果存在大量的投影射束，则各个投影伪像的轨迹的移动可能会重叠，这使得识别各个投影伪像及其移动更加困难。这进而使距离测量变得复杂，因为投影伪像的移动影响了它们的外观。当图案的密度特别高时（例如，当正在测量其距离的物体非常靠近距离传感器时可能会发生的那样；通常，距离越小，图案密度越大），该问题会变得更加严重。另一方面，高密度图案通常是合期望的，因为它们允许进行更高分辨率的距离测量。

本公开的示例提供了密度随图案变化的投影图案。例如，图案可以包括多条点线，其中第一条线的密度（例如，点的紧密度）相对较高，并且邻近的第二条线的密度相对较低（例如，低于第一条线）。较低密度线不太可能表现出点轨迹的重叠，这使得更容易识别较低密度线中的各个点。一旦识别出较低密度线中的点，就可以使用该知识来识别和区分较高密度线中的点的轨迹，从而允许进行精确的、高分辨率的距离测量。

图1图示了可以由距离传感器的光投影系统投影的示例投影图案100，该距离传感器诸如是在美国专利申请序列号14/920,246、15/149,323和15/149,429中描述的任何距离传感器。如图示的，该图案包括：被布置成形成网格的多个点102

在一个示例中，四个邻近点102的任何集合可以被连接以形成四边形。在一个示例中，四边形可以采用六种形状之一：a、-a、b、-b、c或-c，如图1中的图例所示。在另外的示例中，附加的形状可以是可能的。当沿x轴连续使用所有六个四边形a、-a、b、-b、c和-c而不重复时，它们就构成“单元”。在图1中，图案100的每一行104在中心线108的每一侧上包括一个单元。单元可以包括四边形a、-a、b、-b、c和-c的任何次序。在图1中图示的示例中，以交替方式使用两个不同的单元。例如，第一单元在行104

应当注意到，仅在图1中图示了四边形以示出点102的相对方位或图案，并且四边形不包括由距离传感器投影的实际投影伪像。例如，图2图示了被放大成高密度图案的图1的图案100。

图3图示了可以由距离传感器的光投影系统投影的另一个示例投影图案300，该距离传感器诸如是在美国专利申请序列号14/920,246、15/149,323和15/149,429中描述的任何距离传感器。如图示的，该图案包括被布置成形成网格的多个点302

多个行304可以被统称为“线组”。在这种情况下，线组包括彼此平行的至少两行，其中线组中的至少两行表现出不同的图案密度（点302的分布或间隔）。例如，在将线组限制为两行的情况下，一行可以具有高密度的点分布，并且另一行可以具有低密度的点分布（相对于彼此）。在另外的示例中，至少两行（例如，沿着y轴）之间的间隔可以小于整个图案（例如，图案300）中的其他行之间的间隔。

在一个示例中，行304可以在相对高密度的图案与相对低密度的图案之间交替。相对低密度的图案可以在点302之间表现出比相对高密度的图案更大的间隔。例如，行304

行304

因此，图案300的每一行304的相对图案密度可以变化。在图案300中可以使用任何数量的不同密度。例如，图案300可以在低密度行与高密度行之间交替。替换地，可以使用具有变化的可能密度的行304的随机布置。

在任何情况下，存在于公共行304中的所有点302是共线的。即，存在于共同行中的所有点302相对于它们在y轴上的方位均不变化。然而，沿y轴的行之间的间隔可以改变。例如，如图3中图示的，行304

此外，在存在包括高密度行和低密度行的邻近对的情况下，高密度行与低密度行之间的间隔可以小于任一行中的点之间的间隔。例如，查看一对高密度行304

图案300可以由垂直腔表面发射激光器（VCSEL）阵列310与一个或多个衍射光学元件组合进行投影，例如，如美国专利申请序列号14/920,246、15/149,323和15/149,429中所述。在一个示例中，可以将VCSEL芯片上的孔的布置（例如，容纳激光器的腔）设计成产生图案300。例如，类似于图案300，孔的布置可以被设计为一系列的行，其中每一行中的孔之间的间隔可以变化。

例如，VCSEL阵列310的VCSEL孔对准可以包括“孔线组”。在这种情况下，孔线组可以包括：彼此平行的至少两个孔线（或孔的行），其表现出不同的孔密度（分布或间隔）。例如，一个孔线可以表现出高密度的孔分布，而另一条孔线则表现出低密度的孔分布（相对于彼此）。在另外的示例中，至少两条孔线之间的间隔（例如，沿y轴）可以比VCSEL阵列的至少两条孔线与其他孔线之间的间隔更窄。

图4图示了可以由距离传感器的光投影系统投影的另一个示例投影图案400，该距离传感器诸如是在美国专利申请序列号14/920,246、15/149,323和15/149,429中描述的任何距离传感器。如图示的，该图案包括：被布置成形成网格的多个点402

多个行a-f可以被统称为“线组”。在这种情况下，线组包括全部彼此平行的多个行，其中线组中的至少两行表现出不同的图案密度（点402的分布或间隔）。在另外的示例中，对于线组中的所有行，行之间的间隔（例如，沿y轴）也相同。

在图4的示例中，行a、b、c、d、e和f中的每一个在点402之间的间隔方面可以表现出不同的图案密度，如图示的。例如，图案密度可以在行a中最大，在行f中最小，并且落在行b、c、d和e中的最小和最大密度之间的某个位置。此外，行的图案（即，排序a、b、c、d、e、f）可以沿y轴重复许多次。在图4中图示的示例中，行的图案重复四次。即，存在行a-f的四个分组。

图案400可以由垂直腔表面发射激光器（VCSEL）阵列410与一个或多个衍射光学元件组合来投影，例如，如美国专利申请序列号14/920,246、15/149,323和15/149,429中所述。在一个示例中，可以将VCSEL芯片上的孔的布置（例如，容纳激光器的腔）设计成产生图案400。例如，类似于图案400，孔的布置可以被设计为一系列的行，其中每一行中的孔之间的间隔可以变化。

例如，VCSEL阵列410的VCSEL孔对准可以包括多个“孔线组”。在这种情况下，孔线组可以包括：全部彼此平行的多个孔线（或孔的行），其中孔线组中的至少两条线表现出不同的孔密度（分布或间隔）。在另外的示例中，孔线之间的间隔（例如，沿y轴）对于所有孔线可以是相同的。

图5图示了可以由距离传感器的光投影系统投影的另一个示例投影图案500，该距离传感器诸如是美国专利申请序列号14/920,246、15/149,323和15/149,429中描述的任何距离传感器。如图示的，该图案包括：被布置成形成网格的多个点502

如图4中那样，行a、b、c、d、e和f中的每一个在点502之间的间隔方面可以表现出不同的图案密度，如图示的。例如，图案密度可以在行a中最大，在行f中最小，并且落在行b、c、d和e中最小与最大密度之间的某个位置。此外，行的图案（即，排序a、b、c、d、e、f）可以沿y轴重复许多次。在图5中图示的示例中，行的图案重复四次。即，存在行a-f的四个分组。

图案500可以由垂直腔表面发射激光器（VCSEL）阵列510与一个或多个衍射光学元件组合进行投影，例如，如美国专利申请序列号14/920,246、15/149,323和15/149,429中描述的。在一个示例中，可以将VCSEL芯片上的孔的布置（例如，容纳激光器的腔）设计成产生图案500。例如，类似于图案500，孔的布置可以被设计为一系列的行，其中每一行中的孔之间的间隔可以变化。

图6图示了可以由距离传感器的光投影系统投影的另一个示例投影图案600，该距离传感器诸如是美国专利申请序列号14/920,246、15/149,323和15/149,429中描述的任何距离传感器。如图示的，该图案包括：被布置成形成网格的多个点602

如图4-5中那样，行a、b、c、d、e和f中的每一个在点602之间的间隔方面可以表现出不同的图案密度，如图示的。例如，图案密度可以在行a中最大，在行f中最小，并且落在行b、c、d和e中的最小和最大密度之间的某个位置。此外，行的图案（即，排序a、b、c、d、e、f）可以沿y轴重复许多次。在图6中图示的示例中，行的图案重复四次。即，存在a-f行的四个分组。

图案600可以由垂直腔表面发射激光器（VCSEL）阵列610与一个或多个衍射光学元件组合来投影，例如，如美国专利申请序列号14/920,246、15/149,323和15/149,429中描述的那样。在一个示例中，可以将VCSEL芯片上的孔的布置（例如，容纳激光器的腔）设计成产生图案600。例如，类似于图案600，孔的布置可以被设计为一系列的行，其中每一行中的孔之间的间隔可以变化。

图7是图示了根据本公开的使用变化密度的投影图案进行距离测量的方法700的一个示例的流程图。方法700可以例如由诸如距离传感器的处理器或图8中图示的处理器802之类的处理器实行。为了示例，方法700被描述为由处理系统来实行。

方法700可以在步骤702中开始。在步骤704中，处理系统可以指示距离传感器的投影系统（例如，包括激光光源、衍射光学元件、透镜和/或其他组件的一组光学器件）将光的图案投影到距离传感器的相机的视场中的物体中。在一个示例中，光的图案可以包括以人眼基本上不可见的波长（例如，红外线）发射的光。图案可以包括点、破折号、x或其他投影伪像的多个平行行。各个行的图案密度可以变化。换句话说，至少两行表现出不同的投影伪像空间密度。例如，某些行相对于其他行可以具有更高的图案密度（例如，投影伪像的更近间隔）。

在步骤706中，处理系统可以指示距离传感器的相机获取物体的图像，其中该图像包括光的图案。在一个示例中，相机可以包括红外检测器和鱼眼镜头。

在步骤708中，处理系统可以处理图像以便于确定与物体的距离。例如，在美国专利申请序列号14/920,246、15/149,323和15/149,429中描述的任何方法都可以被用来计算距离。在一个示例中，可以部分地基于图案中的投影伪像的轨迹来确定到物体的距离。在另外的示例中，图案的低密度行中的投影伪像的轨迹可以被用来确定传感器相对于物体的移动。知道该移动可以进而允许识别出图案的高密度行中的投影伪像的轨迹。知道高密度行中的伪像的轨迹可以进而允许确定高分辨率距离信息。替换地，处理系统可以将第一图像和第二图像发送到远程处理系统以进行距离计算。

方法700可以在步骤710中结束。

应当注意到，尽管没有明确指定，但是上述方法700的一些框、功能或操作可以包括针对特定应用进行存储、显示和/或输出。换句话说，方法700中讨论的任何数据、记录、字段和/或中间结果都可以被存储、显示和/或输出到另一个设备，这取决于特定的应用。另外，图7中的框、功能或操作记载确定操作或涉及判定，它们并不意味着确定操作的两个分支都被实践。换句话说，取决于确定操作的结果，可以不实行确定操作的分支之一。

图8描绘了用于计算从传感器到物体的距离的示例电子设备800的高级框图。照此，电子设备800可以被实现为电子设备或系统（诸如距离传感器）的处理器。

如在图8中描绘的，电子设备600包括：硬件处理器元件802（例如，中央处理单元（CPU）、微处理器、或多核处理器）、存储器804（例如，随机存取存储器（RAM）和/或只读存储器（ROM））、用于计算从传感器到物体的距离的模块805、以及各种输入/输出设备806（例如，存储设备，包括但不限于磁带驱动器、软盘驱动器、硬盘驱动器或紧凑盘驱动器、接收器、发射器、显示器、输出端口、输入端口和用户输入设备（诸如键盘、键区、鼠标、传声器、相机、激光光源、LED光源等等）。

尽管示出了一个处理器元件，但是应当注意到，电子设备800可以采用多个处理器元件。另外，尽管在图中示出了一个电子设备800，但是如果对于特定说明性示例以分布式或并行方式来实现如上面所讨论的（一个或多个）方法（即，跨多个或并行电子设备来实现（一个或多个）上述方法或（一个或多个）整个方法的框），则意图使该图的电子设备800表示这些多个电子设备中的每一个。

应当注意到，本公开可以通过机器可读指令和/或以机器可读指令和硬件的组合的形式来实现，例如，使用专用集成电路（ASIC）、可编程逻辑阵列（PLA），包括现场可编程门阵列（FPGA）或部署在硬件设备、通用计算机或任何其他硬件等效项上的状态机，例如与上面所讨论的（一个或多个）方法有关的计算机可读指令可以被用来配置硬件处理器以实行上面所公开的（一个或多个）方法的框、功能和/或操作。

在一个示例中，本模块或过程805用于计算从传感器到物体的距离的指令和数据（例如，机器可读指令）可以被加载到存储器804中，并且由硬件处理器元件802执行以实现如上面结合方法700所讨论的框、功能或操作。另外，当硬件处理器执行指令以实行“操作”时，这可以包括：硬件处理器直接实行操作和/或便于、指导或与另一个硬件设备或组件（例如，协处理器等等）进行协作，从而实行操作。

执行与上述（一个或多个）方法有关的机器可读指令的处理器可以被认为是经编程的处理器或专用处理器。照此，本公开的用于计算从传感器到物体的距离的本模块805可以被存储在有形或物理（宽泛地为非暂时性）计算机可读存储设备或介质（例如，易失性存储器、非易失性存储器、ROM存储器、RAM存储器、磁性或光学驱动器、设备或磁盘等等）上。更具体地，该计算机可读存储设备可以包括提供存储信息（诸如被处理器或电子设备（诸如安全传感器系统的控制器或计算机）访问的数据和/或指令）的能力的任何物理设备。

将领会到，以上公开的和其它的特征和功能的变体或其替换物可以被组合到许多其它不同的系统或应用中。可以随后在其中做出各种目前无法预见或无法预料的替换物、修改或变化，它们也意图由所附权利要求涵盖。