集成成像大纵深物体的三维形貌获取技术

为了满足现代工业所需的大纵深物体的三维形貌获取需求,解决传统结构光三维形貌获取技术纵深较小的问题, 借助集成成像这种阵列式多视点获取技术,构建了基于集成成像的大纵深物体的三维形貌获取技术。从集成成像原理出发,分析了集成成像三维物点和同名像点之间的关系,得到集成成像光学获取系统参数和三维物体纵深极限之间的关系。在此基础上,利用相机和电动平移台构建了扫描式相机集成成像三维形貌获取系统,并对纵深从600 mm到3 600 mm相对独立的2个物体构建的大纵深三维物体进行了形貌获取。光学实验结果显示,该集成成像大纵深物体三维形貌获取技术能够单次获取纵深为3 600 mm的三维物体的三维形貌,为大纵深物体的三维形貌获取提供了技术支持。     

基于自适应阈值的阵列激光三维点云配准

阵列激光三维成像作为一种新型的非合作目标三维图像获取技术,高效的回波信号处理和三维重构方法是提高其探测能力和成像精度的前提,其中配准过程是阵列激光三维成像点云数据处理中必不可少的步骤.本文根据阵列激光三维成像系统的成像特点,对迭代最近点(ICP)配准算法中阈值设定依据进行分析,结合阵列激光三维成像系统中的重要参数测距精度和成像横向分辨率,对配准迭代过程中对应点距离阈值和迭代停止阈值进行有针对的设置,提出了基于自适应阈值的ICP点云配准方法.对阵列激光成像点云和扫描激光深度成像数据的实验表明该算法有效可行,能够提高配准精度和配准速度,同时由于该算法充分考虑了成像系统本身,在实际应用中对系统的合理设计具有一定的指导意义.     

单光子探测三维点云与可见光图像融合处理算法研究

为了提升光电系统对于目标的探测识别能力,实现单光子探测三维点云数据和二维可见光图像的融合处理,提出了单光子探测成像系统的融合处理算法,采用直接线性变换方法并利用同名特征点的选取和间接平差算法解决了融合处理过程中的参数标定问题。通过实验数据进行融合处理算法验证,实现了分辨率1024×768像素单光子探测三维点云和二维可见光图像的像素级融合处理。实验结果表明,提出的融合处理算法能够有效实现三维、二维图像的融合。     

集成成像三维显示系统显示性能的研究进展

集成成像三维显示技术是利用透镜阵列获取和显示立体图像的一种三维显示技术。本文首先综述了集成成像三维显示系统的特点,考虑其系统性能主要受分辨率、景深和观看视场角的限制,对近年来集成成像三维显示系统在增大分辨率、景深和观看视场角方面的研究进展做了综合论述,比较分析了各种改进方法的优劣。最后,对我国集成成像三维显示技术的研究现状进行了总结,并简述了本研究小组在该领域取得的若干研究成果。     

实时激光三维成像焦平面阵列研究进展

研究了应用于实时激光三维成像的焦平面阵列技术,介绍了目前国际上几种常用的焦平面阵列实现原理与技术特点,并对其优点与不足进行了分析,同时对表征焦平面阵列的主要性能指标以及其对最终成像系统的影响进行了定性分析。根据对现有技术的对比分析,提出基于雪崩光电二极管（APD）阵列和读出电路（ROIC）集成的探测器方案在灵敏度和作用距离等方面具有一定优势,是实现实时三维成像焦平面阵列较为理想的技术。作者认为在未来十几年内,激光三维成像焦平面阵列规模有望超过1 024 pixel×1 024 pixel,像元尺寸可降低到15μm。     

微透镜阵列动态显示薄膜的设计及制备方法

基于微透镜阵列和微图形阵列的莫尔动态显示技术能够显示具有立体效果的三维图像。介绍了一种集成于高分子薄膜上的微透镜阵列和微图形阵列的设计及制备方法。提出了动态显示的几何模型,采用该模型推导了动态图像周期、方向及动态效果的设计公式,可以实现上浮、下沉、相对移动等动态显示效果的设计。研究了动态图形的非阵列成像模式,得到了可以随视角变化发生消失、浮现的非阵列动态图形。采用光刻及压印的方法进行了动态显示薄膜的制备实验,结果表明动态图像的周期、方向及位移的测量值相对理论值的最大偏差分别为11%、16%和14%。提出的方法能有效地评估动态显示薄膜的性能及制备容差。     

基于数字微镜器件的高光面物体三维测量方法

在投影结构光的三维形貌测量方法中,由于镜面反射,高光面物体的三维测量无法得到清晰的编码图像,影响了三维坐标信息的解算,进而无法拟合出完整的三维形貌。提出应用数字微镜器件(DMD)为核心的新型DMD相机,应用DMD的高动态范围成像解决传统电荷耦合器件(CCD)采集编码图像过曝光的问题。在传统单目三维测量系统基础上搭建新的系统,建立了DMD相机的高动态范围成像和三维测量的数学模型,结合格雷码的图像匹配方法,获取物体的三维坐标信息。实验结果证明,该系统对高光面物体的成像起到了良好的效果,获得了比较完整的点云位深图,能够进行高动态范围的三维形貌测量。     

一种基于编码孔径成像原理的三维成像方法

三维成像技术因其应用广泛而备受关注。根据编码孔径成像的基本原理,提出了一种非相干可见光三维成像方法。这种两步成像方法的第一步采用空间位置编码的照相机阵列对物体拍照,在第二步中,首先将照相机阵列拍照得到的物体照片根据拍照时的位置关系合成为一幅图像,然后采用计算机程序模拟光学反投影解码方法解码再现出物体不同深度的表面分层图像。设计了初步的实验,该实验采用1部照相机依次在各编码位置对物体模型拍照,编码形式是包含9个点的无冗余阵列形式,物体模型只包含2个深度层次,布置在距离照相机阵列1.5m的地方。实验得到了信噪比较高的物体模型的分层解码图像,验证了这种三维成像方法的可行性。     

基于光线追踪的实时可交互计算生成集成成像方法

为提高计算生成集成成像实时交互显示性能和灵活性,构建与集成成像再现系统结构一致的集成光场视见模型,通过该模型为单元图像阵列中每个像素生成一条逆向追踪的光线,使用光线追踪技术并行渲染光线为单元图像阵列像素着色.实验结果表明,顶点数为565 880的点云模型、面数为977 308的含纹理网格模型在透镜数为22×13、视点数为175×175的4K显示系统上显示帧率40fps以上,并实现了缩放、移动、旋转、显示微调等交互功能.该方法摆脱了虚拟相机模型,降低了算法复杂度,利于实现实时交互,能够应用于基于不同分布形式透镜阵列的集成成像显示系统.     

基于窗截取的立体元图像阵列快速生成

集成成像需要从不同角度记录三维(3D)物体的空间信息,采用计算机生成时,计算量大、时间长。针对这一问题,提出窗截取的立体元图像阵列快速生成方法。模拟真实透镜阵列的结构,建立采样模型,根据显示平台光学参数计算得出虚拟3D物体对应每个虚拟透镜元中的图像,即立体元图像,然后采用窗截取的方式生成立体元图像阵列。改变采样点和窗函数可以生成任意孔径任意排列结构的立体元图像阵列。实验搭建基于LED的集成成像显示平台,设计了与LED匹配的方形、六边形、圆形孔径的透镜阵列,选取不同类型的3D模型对比立体元图像阵列的计算时间和立体显示效果,结果表明,在不改变立体图像质量的前提下,当立体元图像的分辨率高于透镜阵列的采样率时,本文方法速度更快。     

基于网格点投影灰度相似性的三维重建新方法

基于双目立体视觉的三维重构是计算机视觉技术的主要内容之一,在机器人视觉导航、航空测绘、医学成像和工业检测等很多领域都有广泛的应用.提出一种基于网格点投影灰度相似性的双日立体视觉的三维重建新方法.首先将被测物体所在的世界坐标系划分成问距卡日等的矩形网格,将网格节点作为潜在的物点投影到左右图像坐标系上,然后根据不同深度的空间点在两幅图像上相应的灰度相似性来判断被测物体在三维空间中的深度信息.通过Matlab平台下的仿真实验证明了本方法的三维重建效果和计箅效率都要优于传统方法.与传统的图像匹配方法相比,具有算法简单、速度快、精度高、且不受摄像装置非线性畸变影响的优点.     

Three-dimensional polarimetric integral imaging

A three-dimensional (3D) polarimetric image sensing and display technique based on integral imaging is proposed. Three-dimensional polarization distribution of reflected light from a 3D object can be measured as elemental image arrays by a rotating linear polarizer. After the measurement of the polarization of the 3D object, the 3D polarimetric object can be reconstructed optically by displaying the polarization-selected elemental images in spatial light modulators with two quarter-wave plates. Experimental demonstration of 3D polarimetric imaging of a 3D object attached to two orthogonal linear polarizers is presented. To the best of our knowledge, this is the first report on 3D polarimetric sensing imaging and 3D optical reconstruction by integral imaging.     

Three-dimensional shape measurement for an underwater object based on two-dimensional grating pattern projection

In this paper, a practical method using phase tracking and ray tracing algorithms is proposed for measuring the three-dimensional (3D) shape of an underwater object. A 2D projected sinusoidal fringe goes through the water and illuminates the tested object. Firstly, the phase tracking algorithm is employed to identify homologous points in phase distributions of the deformed fringe captured by the camera and these of the fringe pattern projected by the projector. The projector is regarded as a special camera as regards the stereovision principle. In the calibrated system, both ray directions of the homologous points can be easily figured out. Secondly, the ray tracing algorithm is used to trace the propagation path of each ray and to calculate the 3D coordinates of each point on the tested object's surface. Finally, the whole shape of the tested object can be reconstructed.     

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.     

光学扫描全息术研究进展

光学成像技术极大地拓展了人类的视觉极限,提高了人们观察和理解现实世界的能力。越多地获得目标的光学信息,对其的认识越充分。数字全息术是一种可以将样本的三维信息以二维全息图的形式编码记录下来的一种成像技术。通过获得由携带物体信息的物光波和参考光波叠加产生的干涉图案,可以以数字化的方式实现多种重建模态,例如图像恢复、相位成像和切片成像等。光学扫描全息术是一种独特的数字全息成像技术,通过主动式二维化扫描对三维物体进行成像,其完整的波前信息可以被单像素探测器记录,并基于光外差检测进行信号解调,从而恢复出复数全息图。对光学扫描全息术的最新进展进行介绍。首先,基于双光瞳成像系统,通过特殊的硬件和算法设计,提高光学成像系统的性能,如提高空间分辨率、缩短扫描时间。其次,基于计算成像原理,通过改进和优化全息像重建算法,实现高质量的图像恢复,主要涉及切片成像和三维成像等重建模态。第三,介绍光学扫描全息术的其他研究方向,并讨论该领域未来可能的发展方向。     

傅里叶变换轮廓术中相位失真的预矫正方法

介绍了一种基于傅里叶变换轮廓术的三维面形测量系统中相位失真的预矫正方法。由于投影系统和成像系统的空间三角位置关系、投影仪的发散照明和两套系统蕴含的光学畸变,投影一幅相位与空间坐标成理想线性关系的标准正弦光场,拍摄到的条纹相位和空间坐标不再呈线性分布,引起相位失真,甚至会影响系统测量精度。该方法借鉴反向条纹投影的思想,计算拍摄光场的非线性相位分布与理想的线性相位分布之间的关系,预先矫正,反算出一个新的待投影光场。实验结果表明这种方法能有效地减小该类相位失真所导致的测量误差,获得了更好的测量结果．     

A novel three-dimensional digital watermarking scheme basing on integral imaging

A novel integral imaging-based three-dimensional (3D) digital watermarking scheme is presented. In the proposed method, an elemental image array (EIA) obtained by recording the rays coming from a 3D object through a pinhole array in the integral imaging system is employed as a new 3D watermark. The EIA is composed of a number of small elemental images having their own perspectives of a 3D object, and from this recorded EIA various depth-dependent 3D object images can be reconstructed by using the computational integral imaging reconstruction (CIIR) technique. This 3D property of the EIA watermark can make a robust reconstruction of the watermark image available even though there are some data losses in the embedded watermark by attacks. To show the robustness of the proposed scheme against attacks, some experiments are carried out and the results are discussed.     

基于三维激光扫描的物体重构建模

针对锂离子电池SOC(荷电状态)难以估算的问题,通过对电池建立等效的Thevenin电路模型,对不同时刻的SOC的模型参数进行拟合得到动态的模型参数,在Matlab中借助Simulink建立仿真模型,采用模块化结构,建立基于卡尔曼滤波算法的电池SOC估算系统;利用测得的电池电压电流,仿真系统可直接估算出实时的电池SOC,与实际的电池SOC对比,误差保持在2.5%以内,表明该方法可以有效的估计电池的SOC,对于锂离子电池在实际应用的容量估算有着重要意义。