放疗3D剂量验证系统中光场相机点扩散函数获取

基于闪烁光场成像的放疗新型3D剂量测量中,需利用点扩散函数将每一个二维平面的真实闪烁光数据从重叠图像中提取出来。利用刀口法,结合光场数字重聚焦以及聚焦测距法,实验获取光场相机不同重聚焦位置处的点扩散函数,并给出棋盘格标定板在参数α=0.6时的重聚焦面聚焦在α=0.7位置处的高斯离焦点扩散函数表达式,研究光场相机点扩散函数的规律,通过测量几个必要值便可由函数拟合得到所有点扩散函数,减少光学分层成像中因分层数量增加引起的标定工作量。将结果引入图像处理,通过反卷积运算可获得每一个二维重聚焦面的真实闪烁光数据,有助于3D剂量的实时精确测量。     

光场分层成像系统的重聚焦标定方法

为根据参数精确获取分层位置的重聚焦像,提出了基于阶梯尺的标定方法.用光场相机拍摄阶梯标尺,利用重聚焦技术获得图像序列,使用点锐度评价函数计算图像序列各刻度面最清晰图像,完成重聚焦参数的标定.对标定结果进行评价,采用刃边法计算重聚焦图像的高斯离焦参数,阶梯标尺比刻度标尺标定方法减小25%以上,可以有效提高光场相机重聚焦的准确度.进行分层成像实验,对比两种标定方法下的分层重聚焦图像,验证了阶梯标尺标定的重聚焦结果更清晰,适用于光场分层成像系统.     

一种基于光场图像的聚焦光场相机标定方法

基于光场成像技术的场景三维深度重建,需标定光场相机的几何参数。本文提出一种基于原始光场图像的聚焦光场相机的标定方法。拍摄标定板不同旋转角度的原始光场图像;根据图像上像点与虚拟像点(像点关于微透镜的共轭点)的共轭关系,计算得到虚拟像点的坐标;根据标定板上角点与虚拟像点的共轭关系,建立聚焦光场相机标定模型;利用Levenberg-Marquardt算法求解标定模型,进行标定实验;比较所提方法与基于全聚焦图像的标定方法的标定参数。结果表明,原始光场图像与全聚焦图像对应的虚拟像点(角点关于主透镜的共轭点)之间的误差小于21pixel,角点的标定误差小于3%,基于原始光场图像和全聚焦图像方法获得的结构参数和外部参数具有较好的一致性,表明基于原始光场图像的标定方法的可行性。     

相机内参量及像差系数与外参量的解耦标定方法

基于无穷远点与相机内参量关系,提出了一种相机内参量及像差系数与外参量解耦标定方法.首先,根据平面单应计算绝对二次曲线在像面的投影方程,线性求解相机内参量;然后,将重投影像点视为理想像点线性求解像差系数,并计算像点重投影误差;最后,将序列图像的平面单应作为待优化参量,以最小化像点重投影误差为目标函数,重复上述过程,输出最优的相机内参量和像差系数.在相同配置下,分别对本文方法和张正友平面靶板标定方法的标定准确度进行仿真与对比分析.基于不同姿态和位置的27幅棋盘格图片,分别利用这两种方法对相机内参量进行标定实验.实验结果表明:与张正友平面靶板标定方法相比,本文方法的标定准确度提高了至少1％;在实物实验中,张正友平面靶板标定方法和本文方法的重投影残差分别为0.064像素和0.008像素.     

微透镜阵列式光场成像模型及其标定方法

对空间复用的光场成像技术进行了建模,从光学器件对光场变换的角度阐释了光场复用的机制,建立了标准光场和像素光场的关系,并提出了基于多频相移的光场标定方法。在Lytro光场相机的标定实验中,确定了微透镜中心位置,像素与微透镜的所属关系,恢复了光场信息,并将光场信息应用于重聚焦和全聚焦。实验结果验证了光场模型的正确性和标定方法的可行性。     

基于相位移编码圆的相机离焦快速标定方法

针对大范围视觉系统相机标定难度大、效率低的问题,提出了一种基于相位移编码圆的相机离焦快速标定方法。该方法首先通过相位移编码圆实现离焦状态下的特征点提取;利用标靶空间位置信息构建出单目相机的目标函数,并采用非线性最小二乘法求解相机的内部参数;通过建立双目系统的目标优化函数解析出相机系统的外部参数。该方法无需移动相机或标靶,通过拍摄3幅相位移圆图像,即可完成大范围视觉系统相机离焦状态下的快速标定。经实验验证:标定焦距偏差在0.5%以内,逆向投影误差最大为0.33pixel,解决了大范围视觉系统相机标定难度大、效率低的难题。     

相机标定的外界影响因素分析

针对相机标定结果易受外界因素干扰的问题,为了提高标定准确度,利用已有的摄像机针孔成像模型,采用自适应角点检测算法提取靶标图像中的特征点,标定结果以重投影横纵像素误差的平均值作为性能指标,对均匀光源的照度、标定图片数量以及标定靶标上棋盘格尺寸3个影响因子做了相应的分组对比实验。研究结果表明,选择亮度高的光源提升标定准确度达到38%以上;特征点数目156个时,仅需18张～22张标定图片;相对较小的棋盘格尺寸可以使得标定准确度提高50%。以上结果充分说明了光源、图片数量和棋盘格尺寸对于提高相机标定准确度具有重要意义。     

基于正弦相位编码的相机离焦标定

分析了光学系统离焦状态对基于正弦光栅的结构光相位的影响.基于正弦结构光相位与相机对焦状态无关的性质,提出了一种利用相移法正弦结构光编码显示面板对离焦相机进行标定的方法.使用Floyd-Steinberg Dithering算法消除了显示面板gamma变换带来的结构光相位计算误差.实现了相机在离焦状态下对标定物特征点的准确提取.标定结果重投影误差为0.17pixels.相机焦距的标定误差在0.39%以内.与传统方法相比提高了标定精度,为具有特殊成像范围的相机的标定提供了一种解决方案.     

基于图像自标定的3D打印模型高效生成方法

为了克服三维重建高度依赖标定板,满足3D打印模型的工业需求,提出基于图像自标定的高效3D打印模型生成方法,无需借助标定板计算相机参数,直接使用单相机采集序列图像进行三维重建。为了克服基于自标定方法易受图像质量和特征点匹配精确度的影响,根据人机交互与自适应分割算法相结合的方法去除原始图像背景及过滤噪声,使图像感兴趣区域特征更为明显,采用快速稳定特征算法提取序列图像中特征点并根据特征点的匹配度进行精确的特征点匹配,再使用匹配信息自标定求解得到相机模型参数,最后根据相机模型以及特征点信息完成三维目标的稠密重建。实验结果表明,自标定及重建方法对大小各异,表面材质不同的目标均可实现重建。     

多几何约束下的鱼眼相机单像高精度标定

以待标定鱼眼相机近似垂直棋盘格获取的单张影像为对象,综合利用多种几何约束分阶段求解鱼眼相机参数初值并进行全局优化:利用鱼眼图像轮廓对称性计算得到准确的相机主点位置(u_0,v_0),并通过轮廓外接矩形扫描搜索巧妙回避了黑色背景下的轮廓点检测困难;精确拟合棋盘格两组互相垂直平行直线在鱼眼图像上投影椭圆,计算椭圆交点并将其反投影到单位球面获得平行直线灭点,根据灭点方向正交约束得到相机等效焦距初值(f_x,f_y)及旋转矩阵角度初值;利用径向对准约束及棋盘格角点信息先线性求解平移矢量(t_x,t_y)初值,进而建立一元二次方程求解平移矢量t_z初值,最后通过最小化棋盘格角点重投影误差对除主点外的全部相机参数进行全局优化,并利用优化参数对鱼眼图像实施立方盒展开纠正。对海康威视两种型号(视野范围不同)定焦鱼眼相机的标定及其影像纠正试验结果表明,本文方法重投影均方根误差(RMSE)小于1/3 pixel,标定参数对鱼眼图像不同区域的平面透视纠正效果总体上较稳健,中心区域纠正效果略优于边缘处,纠正影像上棋盘格角点直线拟合RMSE均小于0.7 pixel,效果明显优于网上标定工具箱结果,具有较好的应用价值。     

基于光场成像的表面三维重构

传统的成像方式单次曝光只能获取物空间二维横向分辨率信息,无法获取纵向深度信息,导致单次拍摄过程中物空间的深度信息丢失, 无法对物空间的目标物进行三维重构。光场相机内部采用光场传感器,不同于传统成像系统单次采集只能获取二维信息而造成的信息缺失,光场传感器可获取物空间的多维光场信息,同时其还具有便携等优点。采用光场相机进行拍摄,利用数字重聚焦以及散焦测距和相关计算的方法,实现密集深度图像的获取,基于matlab软件平台,对所获取的图像深度数据矩阵进行处理,最终实现物空间的三维重构。得到物空间的相对深度的归一化结果。本实验中,在深度范围为100 mm~1 500 mm范围内,实现平均误差为5.47%深度信息的表面三维重构,最大重构误差为8.30%。     

X射线光场成像技术研究

X射线三维成像技术是目前国内外X射线成像研究领域的一个研究热点.但针对一些特殊成像目标,传统X射线计算层析(CT)成像模式易出现投影信息缺失等问题,影响CT重建的图像质量,使得CT成像的应用受到一定的限制.本文主要研究了基于光场成像理论的X射线三维立体成像技术.首先从同步辐射光源模型出发,对X射线光场成像进行建模;然后,基于光场成像数字重聚焦理论,对成像目标场在深度方向上进行切片重建.结果表明:该方法可以实现对成像目标任一视角下任一深度的内部切片重建,但是由于光学聚焦过程中的离焦现象,会引入较为严重的背景噪声.当对其原始数据进行滤波后,再进行X射线光场重聚焦,可以有效消除重建伪影,提高图像的重建质量.本研究既有算法理论意义,又可应用于工业、医疗等较复杂目标的快速检测,具有较大的应用价值.     

An absolute phase to world coordinates method for the defocusing structured light shape measurement system

This paper proposes a flexible calibration method for the defocusing structured light three-dimensional (3D) imaging system. Neither a high accuracy translation stage nor the parameters of the projector is required. Therefore the method is more flexible in many practical applications. World coordinates for calibration are obtained based on the method of coordinates from known plane. The monotonic nonlinear relationships between the absolute phase and each world coordinate have been investigated. Different from other methods, in our method, the 3D shape is directly recovered by the absolute phase to world coordinates method. Experimental results show that, when polynomial curve fitting methods are used, the root-mean-squared (RMS) error for the flat plate reconstruction is less than 0.12 mm, and the measurement error of 3D points is less than −0.34%. Furthermore, when comparing the measurement results of our method with the method of coordinates from known plane based on camera calibration, the relative error is less than −0.05%. Therefore, camera calibration is considered as the major error source.     

基于激光点云多条件约束的相机检校方法

为了克服相机检校对二维/三维检校场的依赖,提出一种基于激光点云多条件约束的相机检校方法。该方法通过对相机获取的多视影像进行光束法平差获得初始相机参数;利用影像点云与其最邻近的激光点云之间的位置关系,以共线方程为基础模型,建立多条件约束的相机检校数学模型;使用不等式约束的最小二乘方法平差迭代解算相机参数。将本文方法与基于三维控制场的检校精度进行了实验对比分析,结果表明本文方法与基于三维控制场的检校精度相当,两者反投影平均误差相差小于0.1 pixel,验证了本文方法在没有传统检校场的情况下进行相机检校的可行性。     

Systematic studies of small scintillators for new sampling calorimeter

A new sampling calorimeter using very thin scintillators and the multi-pixel photon counter (MPPC) has been proposed to produce better position resolution for the international linear collider (ILC) experiment. As part of this R&D study, small plastic scintillators of different sizes, thickness and wrapping reflectors are systematically studied. The scintillation light due to beta rays from a collimated ⁹⁰Sr source are collected from the scintillator by wavelength-shifting (WLS) fiber and converted into electrical signals at the PMT. The wrapped scintillator that gives the best light yield is determined by comparing the measured pulse height of each 10 × 40 × 2 mm strip scintillator covered with 3M reflective mirror film, teflon, white paint, black tape, gold, aluminum and white paint+teflon. The pulse height dependence on position, length and thickness of the 3M reflective mirror film and teflon wrapped scintillators are measured. Results show that the 3M radiant mirror film-wrapped scintillator has the greatest light yield with an average of 9.2 photoelectrons. It is observed that light yield slightly increases with scintillator length, but increases to about 100% when WLS fiber diameter is increased from 1.0 mm to 1.6 mm. The position dependence measurement along the strip scintillator showed the uniformity of light transmission from the sensor to the PMT. A dip across the strip is observed which is 40% of the maximum pulse height. The block type scintillator pulse height, on the other hand, is found to be almost proportional to scintillator thickness.      

Cu:KNSBN晶体中光束散焦-收缩转换现象

在存在着预置时变空间电荷场的Cu:KNSBN晶体中,在实验中观察到一种弱光束扩散收缩过程,此过程随光强的增大而迅速加快.扩散收缩过程是由晶体内预置时变电场以及弱光束本身产生的光伏和扩散空间电场在达到稳定之前共同影响所导致的结果. 关键词： 散焦 光伏效应 空间电荷场     

Calibration method for fringe projection profilometry with a binary defocusing technique

A novel and simple calibration method for fringe projection profilometry with a binary defocusing technique is proposed and verified by experiments. This paper theoretically presents the principle that the one-to-one mapping servers as spatially invariant to environment in the phase domain when the projector is defocused. In terms of this principle, only two reference planes are introduced in the volume of projector defocusing (the measured volume) to specify one constraint, i.e., the emitted light beams, which are determined by the sub-pixel homologous pairs from the measured object to the reference planes in the phase domain. The nonlinear camera model is utilized to define the other constraint, i.e., the reflected light beams. Then, combining these two constraints will calibrate the 3D information of the measured object. It is pointed out that the proposed method does not require the calibration of the projector. Experiments demonstrate the performance of our proposed approach: the measurement accuracy can reach about 0.0916 mm with the binary defocusing technique.     

Robust geometric,phase and colour structured light projection system calibration

This paper introduces a new comprehensive procedure for both geometric and colour calibration of structured light system. In order to perform both geometric and colour calibration procedure, a new calibration artifact is proposed. The intrinsic and extrinsic parameters of projector and camera are estimated by using an extended pinhole camera model with a tangential and radial distortion. Camera image plane coordinates are obtained by extracting features from images of a calibration artifact. Projector image plane coordinates are calculated on the basis of continuous phase maps obtained from a fringe pattern phase reconstruction procedure. In order to stereo calibrate camera-projector system, pairs of corresponding image plane points are calculated with subpixel accuracy. In addition, one of three pattern views is used in colour calibration. RGB values of a colour field pattern detected by camera and their reference values are compared. This comparison leads to derivation of a colour transformation matrix. The performance of the proposed method is tested by measuring plane, sphere and distance reference. Also 360 degrees complex object 3D model from a set of measurements is obtained. Residual mean errors for all tests performed are calculated.     

平顶线结构光的中心检测算法及光刀平面标定

针对传统线结构光光刀平面标定方法测量精度不高,应用范围小的问题,提出基于平面标靶的线结构光系统光刀平面标定,对无激光的标靶图片进行迭代摄像机标定,有激光的标靶图片进行光刀平面标定.提出光强符合均匀分布的平顶激光检测中心算法,将平顶激光建模为矩形的台阶函数,估计背景亮度和前景亮度,确定亮条纹宽度,再将窗口内的有效像素参与重心计算,得到光条纹中心.用该算法对不同噪声及不同量块的图片进行处理,结果表明,处理后图像的均方根误差分别在0.149pixel和0.176pixel内,表明该算法抗噪声能力强、精度高.用该算法提取光条中心,计算光条在标靶上的位置,根据至少两个姿态下的光条中心三维点,基于最小二乘法拟合光刀平面.通过迭代摄像机标定和光刀平面标定,利用三角测量法,在立体视觉模型下获取物体的三维点云数据.实验测量两个距离为100.5mm的标准球,相机与标准球距离为500mm,比较两球心距离与标准距离,测得平均误差为0.236mm.表明平顶激光检测中心算法切实可行,光刀平面标定方法基本满足要求.