基于飞行时间的非视域成像研究

作     者：戴晟昕 

作者单位：中国计量大学 

学位级别：硕士

导师姓名：石岩;洪雷

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：非视域成像 飞行时间 单光子雪崩光电二极管 反投影算法 

摘      要：望远和显微技术拓展了人类的视觉能力,但传统的成像技术仍无法突破障碍物的限制。非视域成像的提出,使观察障碍物后的场景成为可能。非视域成像利用在视域内的墙面、窗帘等中继面返回的漫反射信号进行图像重建。本文基于飞行时间探测计数理论,通过仿真和实验对非视域成像进行研究,将椭球与体素直接相交判定方式和Gram矩阵优化结合,在保持一定重建质量的同时,提高了重建速度。推导了非视域成像漫反射光传输模型,研究了飞行时间成像技术和时间相关单光子计数技术,介绍了几种超高时间分辨探测器,设计了非视域成像硬件系统。研究了基于椭球层析的反投影算法,为提高重建速度,编写了判别椭球模型与空间体素相交的迭加重建算法。在定性条件下,探究了采样参数对重建质量的影响,研究表明:在其他条件一定时,重建图像会随采样点位置的偏移发生畸变,采样密度和范围的增加可以提高重建质量,但达到一定程度后,重建精度将不再发生显著变化,纵向深度和采样范围存在定量关系,为实验提供了合理的采样点设置方案。搭建了非视域成像实验系统,分别使用硅光电倍增管和单光子雪崩光电二极管进行了平面物体的图像重建,由重建结果分析:硅光电倍增管由于需设定合适的电压阈值选取每组采样点的单光子信号,影响飞行时间探测精度,导致重建质量较差。分别根据高斯拉普拉斯滤波和求解Gram矩阵的卷积逼近的最小二乘问题优化了重建算法,对平面物体、深度物体和双目标物体三种场景进行了重建,结果表明:算法优化后,重建图像的几何形状更加显著;深度物体重建图像的强度随深度的增大基本呈下降趋势;得到所搭建非视域成像系统的横向分辨精度优于3cm,基于Gram矩阵优化后的算法重建效果优于高斯拉普拉斯滤波。