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飞行时间法三维成像摄像机数据处理方法研究

浙江大学学报（工学版） 2010年第6期44卷 1049-1056页

作者：潘华东王其聪谢斌许世芳刘济林浙江大学信息与通信工程研究所浙江省综合信息网技术重点实验室浙江杭州310027 厦门大学计算机系福建厦门361005

飞行时间法三维成像摄像机测量结果存在中心点偏移、距离歧义性和混合像素等问题,且易受曝光时间和主动光源影响.为提高测量结果的有效性和准确性,对测量数据进行了如下处理:对摄像机进行校正,减小了球面距离到三维坐标转换过程中引入... 详细信息

飞行时间法三维成像摄像机测量结果存在中心点偏移、距离歧义性和混合像素等问题,且易受曝光时间和主动光源影响.为提高测量结果的有效性和准确性,对测量数据进行了如下处理:对摄像机进行校正,减小了球面距离到三维坐标转换过程中引入的误差;采用2个不同光源调制频率交替进行测量,根据2次测量结果差值消除距离歧义性;过度曝光时测量幅值随曝光时间增大而减小,据此提出了一种基于感兴趣区域的快速自动曝光控制方法;边界混合像素以单点或单线形式出现,根据某像素邻域内各像素位置分布情况判定该像素是否为混合像素;由测量幅值判定噪声大小,根据对主动光源成像时测量幅值很大、偏移值很小的特点辨别主动光源.实验结果表明:以上方法能有效提高数据可靠性和准确性.

关键词：飞行时间法三维成像摄像机距离歧义性自动曝光混合像素

^(252)Cf裂变γ射线伴随飞行时间法刻度液体闪烁体中子探测效率

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原子能科学技术 2018年第2期52卷 215-220页

作者：任杰聂阳波阮锡超黄翰雄李霞张凯中国原子能科学研究院核数据重点实验室北京102413

宏观检验实验是检验核数据正确性的重要实验方法之一。液体闪烁体中子探测器是中子核数据宏观检验实验中快中子能谱测量的主要探测器,其探测效率曲线的准确性关系到实验结果的精度。本文采用^(252)Cf中子源的伴随γ射线和飞行时间法测... 详细信息

宏观检验实验是检验核数据正确性的重要实验方法之一。液体闪烁体中子探测器是中子核数据宏观检验实验中快中子能谱测量的主要探测器,其探测效率曲线的准确性关系到实验结果的精度。本文采用^(252)Cf中子源的伴随γ射线和飞行时间法测得了液体闪烁体对2.0~10.0 MeV中子的相对探测效率曲线,同时利用飞行时间法和400kV脉冲中子发生器的d-D反应中子源测得了2.9 MeV单能中子的绝对探测效率。将相对探测效率曲线归一到单能点的绝对效率,得到探测器在这一能区的绝对探测效率曲线。使用蒙特卡罗程序NEFF模拟相同参数的液体闪烁体探测器对10.0 MeV以下中子的探测效率曲线。最后将实验结果与模拟结果对比,结果表明实验得到的探测效率曲线合理、准确。

关键词：探测效率液体闪烁体飞行时间法蒙特卡罗模拟

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飞行时间法成像系统与应用研究

飞行时间法成像系统与应用研究

作者：王朋湘潭大学

学位级别：硕士

三维图像相对于二维图像而言,可以带给人们更多的信息与更好的感官体验,在各个领域中也发挥着不可代替的作用。三维成像在人工智能、安防与监控、医疗生物等领域尤其有着重要的作用,而高精度的3D数据采集系统是三维图像应用的前提。本... 详细信息

三维图像相对于二维图像而言,可以带给人们更多的信息与更好的感官体验,在各个领域中也发挥着不可代替的作用。三维成像在人工智能、安防与监控、医疗生物等领域尤其有着重要的作用,而高精度的3D数据采集系统是三维图像应用的前提。本文从常见的深度数据获取的方式出发,对比了几种主流方式的优缺点,最终选择飞行时间法并且以此为基础设计出一种基于飞行时间法的成像系统。本文中的深度数据采集部分用的是TOF(Time of Flight)深度传感器。首先从原理上对TOF的四步相移算法进行了说明,然后对系统的功能指标进行了确定,并且完成系统的软硬件的设计工作。本论文主要工作包含以下四点:1.讨论了正方形排列的LED之间的距离以及圆形排列半径对特定照面的光照强度的影响。通过对LED光照强度的分析,分别对圆形以及正方形这两种常见的阵列对目标面的光照强度进行推导,并利用斯派罗定则对最优参数进行了相关计算,得到了两种阵列的最优参数的拟合函数并通过仿真进行了验证,结合所选择的LED参数,最后选择圆形的LED阵列。2.完成了整个系统的元器件选型以及硬件设计方案,并且设计了各个硬件模块,硬件模块包括了电源管理模块、主控制器模块、电平转换模块以及数据采集硬件模块,进行了PCB板的设计,最后通过测试验证了硬件板功能的正常性。3.完成了程序的设计,程序主要包含上位机程序、下位机程序以及基于Cortex-M4内核的任务调度器。上位机程序使用MATLAB的GUI进行设计,定义了上位机与下位机之间的通信协议。下位机软件则是基于本论文设计的任务调度器进行设计,定义了任务之间的通信协议。4.对系统进行标定并得到了参数矩阵,经过测试验证了该标定参数的正确性。通过对传感器工作原理与四步相移算法的分析,说明根据传感器读取的原始数据的大小调整积分时间来提高测量精度这一方法的可行性,并对一种逐渐逼近式自动曝光算法进行了改进,经过测试,说明改进后的算法在大的曝光初始时间下能够有效地降低运行时间。最后利用B样条曲线对系统误差进行补偿,提高了数据采集的稳定性以及精度,使系统精度达到毫米级别。其数据采集帧率达到20fps以上,满足设计指标。

关键词：飞行时间法任务调度器四步相移成像系统

用飞行时间法研究Si溅射离子簇质谱的结构效应

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物理学报 1991年第5期40卷 703-708页

作者：刘淑荣江伟林刘家瑞林荫浓中国科学院物理研究所

通过对200kV离子注入机的改造,设计出一台飞行时间(TOF)谱仪,在提高脉冲束时间分辨方面,做了很大努力。测量了单晶、多晶及非晶硅的正、负离子簇飞行谱(质量谱)。比较这三种不同结构Si样品的谱数据,发现溅射离子簇质谱分布与靶物质结构... 详细信息

通过对200kV离子注入机的改造,设计出一台飞行时间(TOF)谱仪,在提高脉冲束时间分辨方面,做了很大努力。测量了单晶、多晶及非晶硅的正、负离子簇飞行谱(质量谱)。比较这三种不同结构Si样品的谱数据,发现溅射离子簇质谱分布与靶物质结构密切相关,这为理论上研究Si离子簇的溅射形成机制提供了实验依据。

关键词：飞行时间法质谱离子簇 Si

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基于飞行时间法的3D相机研究综述

红外技术 2021年第1期43卷 60-67页

作者：魏加立曲慧东王永宪朱俊青关英俊长春工业大学机电工程学院吉林长春130012 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033

基于飞行时间法(Time-of-Flight,TOF)的3D相机是一种体积小、误差小、抗干扰能力强、可直接输出深度信息的新型立体成像设备。目前,该类相机已成为测量成像领域的研究热点。本文首先介绍了TOF相机的发展历程及测量原理;随后对TOF相机测... 详细信息

基于飞行时间法(Time-of-Flight,TOF)的3D相机是一种体积小、误差小、抗干扰能力强、可直接输出深度信息的新型立体成像设备。目前,该类相机已成为测量成像领域的研究热点。本文首先介绍了TOF相机的发展历程及测量原理;随后对TOF相机测量误差来源及类型进行分析;接着将TOF技术与其他主流的三维成像技术进行对比分析;最后对TOF相机的应用与发展趋势进行了阐述。

关键词：飞行时间法 3D-TOF相机深度信息测量误差

面向飞行时间法具有解调功能的像素结构仿真与设计

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面向飞行时间法具有解调功能的像素结构仿真与设计

作者：汪一飞湘潭大学

学位级别：硕士

在工业控制、虚拟现实、自动驾驶和生物医学等领域,三维深度数据的获取一直起着至关重要的作用。但是算法复杂度高、设备体积大以及功耗高等种种局限性一直限制着传统3D传感的发展。近几年来,随着CMOS（Complementary Metal Oxide Semic... 详细信息

在工业控制、虚拟现实、自动驾驶和生物医学等领域,三维深度数据的获取一直起着至关重要的作用。但是算法复杂度高、设备体积大以及功耗高等种种局限性一直限制着传统3D传感的发展。近几年来,随着CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）技术的不断发展,通过飞行时间法实现低功耗体积小的3D传感系统成为可能。飞行时间法（TOF:Time of Flight）是通过给目标连续发送光脉冲,然后用传感器接收从物体返回的光,通过探测光脉冲的飞行往返时间来得到目标物距离的三维成像方法。飞行时间法的测量精度和性能极度依赖像素器件的表现。因此,研究出一款性能卓越并与CMOS或CIS（CMOS Image Sensor）工艺匹配的像素器件具有极其重要的意义。基于间接飞行时间测距法的原理,本文分析了间接飞行时间传感器测距精度与其像素器件的性能关系。对比分析了各类间接飞行时间法像素器件的工作原理、基础结构及其各项性能指标,并指出像素器件随工艺发展的设计局限性。随后对电流辅助光子解调器件（CAPD:Current-assisted Photonic Demodulator）、基于钳位光电二极管（PPD:Pinned Photodiode）的解调器件以及Kinect解调器件存在的优缺点进行分析。提炼出目前解调器件需要改进的关键点后,分别基于标准CMOS工艺和CIS工艺,设计了三款不同的像素器件。主要研究工作如下:1.针对CAPD,本文以包围式结构为基础,基于0.18um CMOS工艺,根据其原理特性采用了高阻衬底设计出了一款掺杂和结构合理面积10um×10um的CAPD。高阻衬底的使用让其能量耗散的问题得到解决。最后经过仿真得到所设计CAPD器件光生电荷转移时间小于20ns。2.针对以PPD为基本框架的解调器件,由于该类器件N埋层的存在使得感光区电势梯度难以形成,电子在感光区大多依靠扩散进行传输,这使得高频下的高解调对比度难以实现。根据其转移电场不足的特性,基于电势关系随PN结耗尽区宽度递增的原理,采用GSMC 0.18um CIS工艺,分别使用三角形PPD和引导栅的方式从电子转移的两个方向进行了电场增强,得到了面积3um×6um光生电荷转移时间小于10ns的解调结构。3.针对Kinect解调器件,本文将STI作为解调隔离结构,并作为光栅增大器件量子效率。借鉴PPD电荷转移过程中所面临的问题和CIS工艺采用的应对方法,基于GSMC 0.18um CIS工艺,设计出一款基于Kinect结构的3um×5um解调像素。该款器件在本文所设计三款器件中表现最为优越。通过仿真其在100MHz解调频率下,可以达到87.39%的解调对比度。

关键词：飞行时间法解调像素电流辅助光子解调器件钳位光电二极管

利用伴随粒子飞行时间法测量碳的快中子散射微分截面

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四川大学学报（自然科学版） 1995年第2期32卷 164-169页

作者：张坤曹建华戴运生万代蓉四川大学原子核科学技术所四川成都

利用伴随粒子飞行时间法（ＴＯＦ）测量了１４．７ＭｅＶ中子在碳核上的弹性散射和非弹性散射微分截面，给出了截面的实验数据及相应的勒让德系数。截面的总误差在４．０％～６．５％之间，其统计误差为０．５％～３．５％。

关键词：快中子散射截面飞行时间法碳散射

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基于飞行时间法原理的三维成像系统设计

基于飞行时间法原理的三维成像系统设计

作者：曾少青湘潭大学

学位级别：硕士

相对于普通二维图像,三维图像能给我们带来更逼真的视觉体验,具有更广阔的应用前景。近年来,随着各种高新技术的发展和相关国家政策的支持,三维成像应用在各个领域受到了广泛关注,尤其是在虚拟现实、3D打印、机器视觉和人工智能等领域... 详细信息

相对于普通二维图像,三维图像能给我们带来更逼真的视觉体验,具有更广阔的应用前景。近年来,随着各种高新技术的发展和相关国家政策的支持,三维成像应用在各个领域受到了广泛关注,尤其是在虚拟现实、3D打印、机器视觉和人工智能等领域。因此,设计出一种能够精确地测量三维场景的立体成像系统尤为重要。本文从三维成像的应用出发,分析了几种三维测量系统的成像原理,对比了他们的优缺点,选定了飞行时间法测距作为重点研究对象,设计实现了一种基于飞行时间法的三维成像系统。TOF测量技术包括直接TOF测量和间接TOF测量。本文在对比分析了这2种测量理论的基础上,采用了间接TOF测量技术——模拟信号相位调制解调。利用相位调制的主要目的是通过4次采样来测量调制发射信号与反射信号之间的相位延时,即模拟调制光信号在往返测量系统与目标场景过程中产生的相位差,再根据调制频率、光速计算出距离。TOF测量成像系统采用主动光源辐射调制红外信号到目标场景,接收端由感应特定波长信号的飞行时间传感器来同步解调包含有距离信息的反射信号。与此同时,本论文针对飞行时间测距精度和测量范围不足的问题,通过对其进行深入分析,改进了现有的曝光算法,引出了一种可改善测距精度或和测量范围的自动曝光算法。该自动曝光算法根据目标场景来选取感兴趣区域并自动调整调制光源的曝光时间,防止目标曝光过度或曝光不足,从而提高精度和测量范围。最后,本论文利用飞行时间法三维测距理论,分别从硬件和软件2个部分对3D TOF成像系统进行设计。硬件部分以TOF图像传感器为核心,由采集模块、控制模块、转换模块、接口模块和显示模块构成。主要功能是负责采集图像信号,将光信号转换为电信号,并通过转换处理后发送图像信号到上位机应用软件。上位机软件则是负责图像数据的接收与存储、4次采样测距算法的实现、图像滤波去噪处理、三维点云重建、以及灰度图像和三维点云图像的显示等。

关键词：飞行时间法三维成像系统自动曝光实时成像

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应用于三维成像飞行时间法建模及其误差分析

应用于三维成像飞行时间法建模及其误差分析

作者：王胤湘潭大学

学位级别：硕士

三维成像技术包括扫描三维成像和无扫描三维成像技术,目前已应用到导航、监控、识别和虚拟现实等实际领域。扫描三维成像技术测距范围广且可获得距离信息或二维信息;但由于笨重、功耗高、价格贵等不足因素所以难以获得大规模的广泛实际... 详细信息

三维成像技术包括扫描三维成像和无扫描三维成像技术,目前已应用到导航、监控、识别和虚拟现实等实际领域。扫描三维成像技术测距范围广且可获得距离信息或二维信息;但由于笨重、功耗高、价格贵等不足因素所以难以获得大规模的广泛实际应用。而无扫描三维成像技术能同时提供二维图像和准确的距离值,且立体视觉效果强,因此越来越受到广泛的研究。对于无扫描三维成像技术,常用直接飞行时间测量法和间接飞行时间测量法去实现。对于直接飞行时间测量技术主要是利用脉冲调制的特性,具有远距离探测和不易受外界光影响的优势。而间接飞行时间测量技术主要是由连续波通过调制-解调方式完成测距,相对测量的距离短,常常较多应用于室内环境。但间接飞行时间测距精度易受环境光和混叠效应的影响。为解决实际应用的这些屏障,本文主要围绕抑制环境光和混叠效应而展开,分别从工作原理,系统建模,误差分析和补偿方法等几个方面进行一系列研究,得出对实际应用具有指导意义的结论。论文的主要结构如下:首先简述了三维成像系统的发展状况以及研究背景和意义,然后介绍了飞行时间测距的主要技术和发展趋势,进而对直接飞行时间和间接飞行时间这两种无扫描技术对测距结果的影响进行了描述。通过间接时间测量可获取目标物与摄像机之间的距离,随后利用三次曝光法推导了余弦波-余弦波、余弦波-方波和方波-方波三种调制-解调波的理论测距的具体物理参量;随后通过MATLAB/SIMULINK建模仿真获得了这三种方法的测距精度结果,结果发现余弦波-余弦波法的测量误差最小,其次是余弦波-方波法,误差最大的是方波-方波法。对于实际应用过程如电路中实现余弦波-方波法的大功率调制相对于余弦波-余弦波法比较容易且光子噪声对余弦波-方波法的影响小于余弦波-余弦波法,所以接着我们利用余弦波与方波法作为调制-解调波形并结合四次曝光法推导了间接时间飞行测距的具体物理参量,并建立MATLAB/SIMULINK模型且进行仿真与计算。结果发现最佳的积分时间和采样时间分别是0.05ms和10ns。为了提高测距准确,我们认为余弦波和方波相互卷积中的不理想因素会引起混叠效应应该被抑制,所以我们输入一种标准的余弦波再次进行MATLAB/SIMULINK仿真和计算,发现混叠效应被抑制后测量误差只是原来的一半。最后,对攻读硕士期间所研究的主要工作进行了系列总结并对今后从事应用于三维成像飞行时间法的未来研究工作做了展望。

关键词：飞行时间法 MATLAB/SIMULINK模型相位测量