基于平面镜成像的单摄像机立体视觉传感器研究

在传统双目立体视觉传感器的基础上,对基于平面镜成像的单摄像机立体视觉传感器进行了研究。在电荷耦合器件(CCD)摄像机前放置一平面反射镜,通过对目标物体和其虚像进行拍摄,得到一幅具有视差的图像,该图像相当于摄像机和其在平面镜中的虚拟摄像机从不同角度对目标物体进行拍摄,具有双目立体视觉的功能。建立了单摄像机立体视觉传感器数学模型,分析了参数对单摄像机立体视觉传感器的视场范围和测量精度的影响,设计了传感器参数尺寸,进行了相关实验验证。实验结果表明,该测量方案方便有效,结构简单,调节方便,尤其适合近距离高精度测量。     

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。     

面向大视场视觉测量的摄像机标定技术

提出了一种面向大视场高精度视觉测量的摄像机标定新方法,该方法采用亮度自适应的单个红外发光二极管(IR-LED)作为目标靶点,将该靶点固定在三坐标测量机的测头上,并依次精确移动至预先设定的空间位置,每次靶点到达设定的空间位置时,摄像机对靶点进行图像采集。利用三坐标测量机的精确位移,在三维空间构成一个虚拟立体靶标。针对虚拟立体靶标在大视场摄像机标定中只能覆盖一小部分标定空间的问题,通过自由移动摄像机在多个方位对虚拟立体靶标进行拍摄,使得多个虚拟立体靶标分布于整个标定空间。摄像机在每个方位对虚拟立体靶标的拍摄都标定出一组摄像机的内、外参数,然后以摄像机内参数和摄像机在各个方位下拍摄的虚拟立体靶标在摄像机坐标系下的位置及姿态参数为优化变量,建立以所有三维靶点位置重投影误差平方和为最小的目标函数,采用非线性优化方法求解摄像机标定参数的最优解。该方法较好地解决了大视场视觉测量中大尺寸靶标加工困难、摄像机标定精度难以保证的问题。仿真和实际标定实验均证明此方法可以有效提高大视场摄像机的标定精度。     

多角度投影三维显示技术的研究

设计和制作了多角度投影三维显示系统,用4个网络摄像头对一个动态的物体的4个面进行拍摄,利用视频处理软件处理视频,通过单屏投影设备将视频投影到用透明膜制作的四棱锥投影装置上,显示出三维立体的动态影像.     

基于全景环带立体成像系统的深度信息估计

提出了一种基于全景环形透镜(PAL)的全景环带立体成像系统的立体信息提取方法。该成像系统由两组共轴PAL单元构成,其成像圆为两内外相接的圆环,能够实时提取360°水平视场角物体的立体信息。基于该系统的成像原理,针对非单视点成像系统特点建立相机模型对系统进行标定,并验证了标定结果。将尺度不变特征变换(SIFT)算法应用到对应点匹配上,充分利用本系统的共线约束来提高匹配的速度和准确度。应用三角测量原理从捕获的图像中提取有效深度信息。进行立体信息提取实验,给出了结果和误差分析。该系统能有效获取场景深度信息,3m距离范围误差率在±5.2%内,证明了该系统的可行性。     

一种适于海浪测量的立体摄影物理模型

由于在海面上布设控制点较为困难,本文发展了一种无需海面控制点的立体摄影物理模型.该模型依次通过相机固有参数标定、相对定向和基于平均海面的绝对定向三个环节实现,文中给出了各个环节的控制方程和具体算法.利用室内实验时拍摄的一个影像对,将共面方程和距离方程联立构成闭合方程组,实现相机固有参数的标定;利用外海测量时拍摄的一个影像对,采用共面方程实现相对定向参数的标定;利用外海测量时拍摄的一个影像对序列,在左相机坐标系中通过影像匹配确定平均海面,建立特定的物方坐标系,并实现绝对定向.室内实验检验了固有参数控制方程的收敛性并表明定标精度较高;外海实验成功地构建了海面高度场,这表明本文提出的相对定向和绝对定向方法是可行的.该模型只需将两个相机按一定方位架设在平台上即可进行海浪测量,免去了繁琐的海面控制点布设过程,降低了工作难度和成本,有利于立体摄影海浪测量技术的推广和应用.     

圆柱型层析计算全息技术研究

研究了三维物体圆柱型层析计算全息技术:分别将不同深度三维物体的圆柱截面与对应的点扩展函数进行卷积后叠加获得位于全息面的物光场分布,并与参考光干涉获得计算全息图,再现该全息图可对原物体实现360°观测。首先建立三维物体圆柱型层析计算全息模型,推导系统点扩展函数与不同方向采样间隔所需满足的条件;然后通过理论与实验分析了物体不同圆柱截面半径、波长对空间频率和系统传递函数的影响,采用峰值信噪比和均方误差来评价再现图质量;最后对三维地球模型采用圆柱型层析计算全息编码,再现了不同观察角度与深度的信息。仿真结果表明,该方法对于一般三维物体360°全视场显示具有较高的应用价值。     

基于机器视觉的三维灰度重构技术

基于双目立体视觉三维重构原理，采用主动扫描实现特征匹配的三维灰度重构技术，通过特征结构光扫描物体表面，由经过预标定的两套成像传感器拍摄其图像，经过图像处理程序提取出特征点，完成特征匹配，再计算出物体表面三维轮廓，同时将成像传感器中的灰度信息映射到相应的特征点，从而实现特征点的三维信息和颜色信息的重构和匹配。该技术为三维彩色逼真场景的重构奠定了基础。     

基于几何约束的自适应相位解包裹算法

提出一种通过相机和投影仪的空间几何约束来展开相位包裹的方法,只需要对结构光投影测量系统进行标定,不需要进行传统的时间或空间相位展开.通过投影单周期条纹得到物体的大致高度信息以确定虚拟深度平面,在虚拟平面z0min处,根据结构光系统的标定参数创建最小绝对相位图,物体的包裹相位逐像素与进行比较,即确定条纹级数,实现相位解包裹.该方法具有良好的鲁棒性,对硬件要求低,采集图像少并且不需要额外的物体来获得z0min,能够实现自适应动态测量.实验结果表明,在同等条件下,与传统时间相位展开方法相比,该方法的相对误差降低了14.33%,同时简化了测量方法,能够有效实现物体的三维形貌测量.     

基于双目视觉的边缘检测算法

提出了一种基于立体视觉的物体边缘检测的方法。先对立体图像对进行基于图割的立体匹配方法求取场景的视差图，然后再用Canny的边缘检测方法对视差图进行边缘检测。立体视觉方法有效解决了单目视觉检测方法中的一些难点，利用了物体在空间的深度信息，对复杂背景下的物体和具有复杂纹理物体的边缘检测有很高的鲁棒性。实验结果表明该边缘检测方法优于传统的单目视觉边缘检测方法。     

基于二维旋转屏的体三维显示系统像素属性分析

介绍了利用视觉暂留效应、高速扫描处于快速旋转中的二维显示屏,从而在三维实空间内再现图像的体三维显示系统.体像素是与三维图像空间内的点对应的图像信息的表述单元,其形状、位置、数目及密度分布等属性,直接影响图像的再现质量和系统的整体性能.对决定体像素属性的屏幕像素尺寸、排列规律及刷新率间的匹配关系进行了建模和量化分析,并从实验上说明了体像素的空间密度分布不均匀时,会导致在显示空间不同位置的同一原始模型有不同的再现效果.     

Orthoscopic integral imaging display by use of the computational method based on lenslet model

In this paper, we propose a computational depth conversion method based on the lenslet model to display the orthoscopic 3D images in 3D integral imaging display. The proposed method permits the synthesis of elemental images for the orthoscopic 3D images at any arbitrary position without any restrictions and requires no additional procedure during the depth conversion process. Due to the lenslet model involved in the depth conversion procedure, the proposed method can broaden the flexibility of 3D image reconstruction in the integral imaging display system. We carry out the preliminary experiments to prove the feasibility of the proposed method. The experimental results reveal that the proposed method is an effective depth conversion method that allows the reconstruction of the orthoscopic 3D images at any arbitrary position.     

自由立体显示器上立体鼠标的实现及其应用研究

提出了一种在三维自由立体显示器的基础上,依据人眼双目视差的原理,使普通鼠标实现立体鼠标显现效果的方法.在此基础上,进一步提出了当立体鼠标指向屏幕上任意点时的实际位置深度信息的计算方法,并通过实验验证了该位置深度信息计算的正确性.理论分析和实验研究表明,提出的立体鼠标实现和位置计算方法可实现将当今的三维自由立体显示器应用于数字摄影测量系统.     

Optical display of true 3D objects in depth-priority integral imaging using an active sensor

In this paper, we propose a system combining the pickup process using an active sensor and the display process using depth-priority integral imaging (DPII) system to display true three-dimensional (3D) objects within large depth through real and virtual image fields. The active sensor provides depth map and color images of 3D objects. Using captured depth map and original color images, elemental images are computationally synthesized and displayed optically in DPII system. Proposed system provides scaling of 3D scenes for true 3D object. To show the usefulness of proposed system, we carry out the experiment for true 3D objects of three character patterns and present the experimental results.     

基于旋转二维发光二极管阵列的体三维显示系统

利用发光二极管 (LED)的高速发光特性 ,以旋转的二维发光二极管阵列为显示载体 ,通过时分寻址电路快速显示三维形体的二维截面序列。受调制的离散二维图像信息 ,因视觉暂留而形成深度效应 ,将被整合感知为一幅连续的三维图像。成功实现了具有 4 915 2个体像素 ,尺寸为14 4 .6mm× 110mm的柱体空间内的三维显示 ,图像具有双目视差、调节、会聚等常规视差信息 ,能提供真实的深度暗示 ,可同时从任意角度直接观察。论述了系统的显示原理及图像编码分解方法 ,分析和讨论了显示质量与体像素优化选取、起始位置显示信息的关联程度     

Wearable optical see-through head-mounted display capable of adjusting virtual image depth

Accommodation and convergence play critical roles in the natural process of depth perception, and the field of natural three-dimensional （3D） perception in stereo displays has been extensively explored. However, no prototypes of these natural 3D displays are suitable for wear due to the system size and weight. In addition, few of the researches have involved subjects with ametropia. We propose and develop an optical see-through head-mounted display （HMD） capable of diopter adjustment of both the virtual image and the real world scene. The prototype demonstrates a diagonal field of view （NOV） of 42° and an exit pupil diameter of 9 mnl, and a diopter adjustment range of -5.5D to 0D. Depth adjustment of virtual image is demonstrated with experiments, the results show the HMD can be further used to investigate the accommodation and convergence cues in depth perception in AR environment, particularly for users with different degree of the ametropia.     

A novel three-dimensional holographic display system based on LC-R2500 spatial light modulator

A novel holographic display system is proposed in this paper. The system takes LC-R2500, a kind of reflective liquid crystal spatial light modulator, (LC-SLM) as the core display unit, which can meet the requirement of real-time reconstruction of three-dimensional (3D) objects from holograms in free space. The relationship between hologram recording and image reconstruction is discussed, and the parameters associated with the magnification of reconstructed image over original object are determined. Experimental results of holographic display using the system are also given in the end.     

Aberration improvement of the floating 3D display system based on Tessar array and directional diffuser screen

The floating 3D display system based on Tessar array and directional diffuser screen is proposed. The directional diffuser screen can smoothen the gap of lens array and make the 3D image’s brightness continuous. The optical structure and aberration characteristics of the floating three-dimensional (3D) display system are analyzed. The simulation and experiment are carried out, which show that the 3D image quality becomes more and more deteriorative with the further distance of the image plane and the increasing viewing angle. To suppress the aberrations, the Tessar array is proposed according to the aberration characteristics of the floating 3D display system. A 3840?×?2160 liquid crystal display panel (LCD) with the size of 23.6 inches, a directional diffuser screen and a Tessar array are used to display the final 3D images. The aberrations are reduced and the definition is improved compared with that of the display with a single-lens array. The display depth of more than 20 cm and the viewing angle of more than 45° can be achieved.     

基于复合抖动技术的三维轮廓数据压缩方法

三维扫描技术获取的三维轮廓数据体积较大,不便于三维数字博物馆数据的实时传输和显示。针对这个问题,提出了基于复合抖动技术的三维轮廓数据压缩方法。首先,利用虚拟结构光投影系统实现三维轮廓数据的图像存储。然后,对图像的不同通道使用不同的抖动技术进行处理,并将结果保存到8位灰度图中主要的3位或者3幅1位逻辑图中,实现三维轮廓数据的进一步压缩存储。实验表明,与提供的三维模型格式相比提出方法的数据压缩比高达75.9∶1,非常适合三维轮廓数据的实时传输、重建与显示。     

Passive ranging and a three-dimensional imaging system through wavefront coding

A single-image passive ranging and three-dimensional(3 D) imaging system with chiral phase encoding was proposed in 2011 [Opt. Lett. 36, 115(2011)]. A new theoretical analysis of the system in space domain is presented in this paper. We deduce the analytic relationships between the object distance and the point spread function, and between the object distance and the encoded image, respectively. Both the point spread function and the processed spectrum of the encoded image have two spots, which will rotate with the variation of the object distance. Then the depth map is extracted from the encoded image and it can be used to set up 3 D images. The theoretical analysis is verified by a wavefront coding system with a chiral phase which is generated by a phase-only liquid-crystal spatial light modulator. The phase generated by the liquid-crystal spatial light modulator is more flexible than the fixed phase mask and can be adjusted in real time. It is especially suitable for observing the object with a large depth of field.