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相移结构光算法中的相位实时解码研究

相移结构光算法中的相位实时解码研究

作者：化文奇四川大学

学位级别：硕士

为了改善结构光三维成像技术的实时性与精确性,本文针对相移结构光系统中相位的实时解码相关问题展开了研究,主要内容如下:(1)提出了一种基于分治思想的相位快速解码算法。首先,通过对相位和调制求解公式进行化简,遍历所有可能的图像亮... 详细信息

为了改善结构光三维成像技术的实时性与精确性,本文针对相移结构光系统中相位的实时解码相关问题展开了研究,主要内容如下:(1)提出了一种基于分治思想的相位快速解码算法。首先,通过对相位和调制求解公式进行化简,遍历所有可能的图像亮度值组合,预先计算中间过程结果并将其储存到查找表中,然后对采集到的条纹图像依据预设条件分组,并利用查找表计算相位和调制,同时对分组计算过程中出现的相移误差进行了补偿,从而获得最终相位。通过仿真和实验,验证了所提算法解码结果的精确性,并且证明了所提算法在解码速度上与传统算法相比有明显提升。(2)提出了一种基于单查找表的相位快速解码算法。该算法是在基于分治思想的相位快速解码算法框架上提出的改进,首先是对查找表进行了优化,减小了查找表所占用到的内存,然后对相位求解过程中出现的混叠效应进行了分析,并通过检测各分组离群相位点并将其统一化的方式对混叠效应做出补偿。实验结果证明了所提算法在相位结果精确性和相位解码速度上都有大幅度改善。(3)针对非线性效应造成的相位误差,提出了两种校正算法。第一种算法是根据最小二乘法计算谐波系数,然后建立误差补偿模型,根据误差补偿模型计算出畸变相位和与之对应的校准相位,并将其存储进查找表,实际运算过程中通过查找表校正畸变相位;第二种算法是通过获取参考相位和真值相位的映射关系来制作查找表,同样也是在相位解码过程使用查找表来校正畸变相位。最后经过实验得出结论:第一种算法应用场景广,能有效降低非线性带来的误差;第二种算法对于起伏较大的物体表面并不能起到良好的校正效果,但针对平缓表面能有效发挥作用。

关键词：相移结构光实时解码分而治之查找表非线性效应

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基于任意n步相移结构光的傅里叶单像素成像

基于任意n步相移结构光的傅里叶单像素成像

作者：王彪天津理工大学

学位级别：硕士

单像素成像是借助不具有空间分辨的桶探测器(单像素探测器)测量目标物体的强度信息,再通过关联测量或相移差分测量实现物体图像重建的一种新型成像技术。近年来傅里叶单像素成像在非可见波段成像、三维成像等领域展现了应用前景,受到了... 详细信息

单像素成像是借助不具有空间分辨的桶探测器(单像素探测器)测量目标物体的强度信息,再通过关联测量或相移差分测量实现物体图像重建的一种新型成像技术。近年来傅里叶单像素成像在非可见波段成像、三维成像等领域展现了应用前景,受到了研究者的关注。前期研究中主要采用四步相移结构光。为促进该成像技术的普适性和应用,本文将傅里叶单像素成像的实现由四步相移拓展到任意n步相移,理论和实验上分别研究基于n步相移结构光的傅里叶单像素振幅物体和相位物体成像,具体结果如下:基于傅里叶变换的本质,提出了基于任意n步相移结构光实现傅里叶单像素振幅物体成像的四种策略方案,得到了一般理论表达式,并分别以二值和灰度振幅物体作为目标物体进行了数值仿真和光学实验验证。结果表明利用任意n步相移结构光可以实现傅里叶单像素振幅物体成像,实验结果中不同相移策略的成像峰值信噪比不同是由于不同策略实验中差分平衡噪声能力不同造成的,尤其需要指出的第四种相移策略表明高步数相移傅里叶像素成像可以退化为低步数相移来实现。该结果为解构成像质量和速度的矛盾以及拓展傅里叶单像素成像的普适性和应用提供了路径。融合干涉和全息的思想,提出了基于n步相移结构光的傅里叶单像素相位物体成像的机制策略及一般理论表达式,并以表皮细胞和相机人作为目标相位物体进行了数值仿真模拟实验验证。结果表明傅里叶单像素相位成像可以通过任意n步相移结构光来实现。在此基础上,本文进一步研究了融合水印傅里叶单像素相位成像,给出融合水印的两种方法,并以洋葱表皮细胞作为宿主相位物体,局域洋葱表皮细胞作为水印进了数值仿真验证,结果表明可通过重建图像快速甄别被标定的局域细胞。该结果有助于傅里叶单像素成像在生物医学成像领域的应用。

关键词：单像素成像傅里叶变换相移技术相移结构光图像重建

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面向高反光区域的自适应结构光

光学学报 2022年第16期42卷 107-115页

作者：詹瑜胡丹刘凯四川大学电气工程学院四川成都610065 四川省产品质量监督检验检测院四川成都610100

在结构光三维成像中,待测场景的高反光区域会在相机成像阵列上出现饱和,这会影响相移法结构光的相位准确度。针对这一问题,提出一种自适应相移结构光测量方法。首先,投射若干幅均匀灰度图像,并检测高反光区域和饱和程度,逐像素点确定最... 详细信息

在结构光三维成像中,待测场景的高反光区域会在相机成像阵列上出现饱和,这会影响相移法结构光的相位准确度。针对这一问题,提出一种自适应相移结构光测量方法。首先,投射若干幅均匀灰度图像,并检测高反光区域和饱和程度,逐像素点确定最优投影光强。然后,根据目标特性降低投影强度实现坐标映射,生成一组高动态范围的自适应调制条纹。最后,对于饱和程度较大的区域,结合坐标映射的相位进行相位融合。实验结果表明,相比于传统方法,所提方法能够更加准确地对投影光强进行调整,相位的最大均方根误差(RMSE)和饱和区域RMSE分别减小了99.43%和92.48%,有效地提高了高反光区域的形貌测量精度。

关键词：测量光强饱和相移结构光最优投影光强自适应条纹相位融合

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基于深度学习的条纹结构光相位估计研究

基于深度学习的条纹结构光相位估计研究

作者：孟周合肥工业大学

学位级别：硕士

结构光三维重建技术作为非接触式三维测量的一个具有代表性的方法,在多个领域(如工业测量,人体测量,娱乐行业)中应用广泛。得益于深度学习技术的发展,相移条纹结构光技术也迎来了新的发展机遇。近期的研究成果表明,深度学习方法可以有... 详细信息

结构光三维重建技术作为非接触式三维测量的一个具有代表性的方法,在多个领域(如工业测量,人体测量,娱乐行业)中应用广泛。得益于深度学习技术的发展,相移条纹结构光技术也迎来了新的发展机遇。近期的研究成果表明,深度学习方法可以有效地提高相移法的精度。然而,这些方法需要通过更高精度的结构光系统收集大量的训练数据来监督网络,耗时费力。为了解决上述问题,本文试图寻求一种能够高效生成大规模数据集的方法,且可以用该数据集训练一个能够泛化于真实场景的相位估计网络。在探索的过程中,本文发现训练数据集可以高效地从现有的合成立体匹配数据集中生成。首先,使用真实的结构光系统捕捉一个近似平面的目标(如墙面)的一组条纹图像。然后,将双目立体匹配数据集中的右相机替换为一个虚拟的投影仪,通过视差确定光线的落点,并考虑光线随深度的衰减、物体表面法向量等因素之后,便可快速生成数万幅具有精确相位标签的三步相移条纹图像。为了验证合成数据集的有效性,本文搭建了一个相位估计网络,并使用该数据集进行训练。此外,本文还使用结构光系统收集了一个真实场景的数据集来训练同一个网络用以对比实验,其中训练图片使用三步相移法采集,相位标签使用十二步相移法制作。实验结果表明,使用合成数据集训练的相位估计网络不仅能够泛化于真实场景,还对不同周期的条纹、欠曝光和过曝光等场景都表现出良好的泛化性能。除此之外,网络只需三张条纹图即可输出高精度的相位,与三十六步相移法之间的相位误差为0.009左右,仅为三步相移法的一半,且与使用真实数据集训练的网络基本相当。采取本文的方法可大幅提高训练数据的制作效率,并且能够极大地扩充训练样本。

关键词：相位估计数据集合成相移结构光深度学习三维重建

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空间增强现实中实时建模相关技术的研究

空间增强现实中实时建模相关技术的研究

作者：周庭竹上海交通大学

学位级别：硕士

增强现实是一种利用计算机系统产生的三维信息作为辅助来对用户所处的真实世界进行增强和丰富的系统,这种系统将用户所处的现实环境相关的图形、图像和声音等信息构成的虚拟世界加入到真实场景中,使虚拟世界与现实环境融为一体,让用户... 详细信息

增强现实是一种利用计算机系统产生的三维信息作为辅助来对用户所处的真实世界进行增强和丰富的系统,这种系统将用户所处的现实环境相关的图形、图像和声音等信息构成的虚拟世界加入到真实场景中,使虚拟世界与现实环境融为一体,让用户无法分辨虚实。而基于投影的空间增强现实作为虚拟现实的一个重要且新兴的分支,在军事、医疗、工业、日常生活与娱乐等领域中有着广阔的应用前景,并且逐步开始成为研究热点。快速、逼真地重建真实物体和场景一直是增强现实、计算机图形学和计算机视觉的重要课题。随着科技的不断进步,工业界对于重建三维信息的速度、精确性和完整度有着越来越高的要求。结构光测量方法因为其使用简单、测量精确的优点而广泛应用于工业领域。然而在增强现实领域,特别是在基于投影的空间增强现实系统中,传统的结构光编码三维重建方法效率较低,实时性差,不能满足增强现实等领域的移动交互的应用需求。本文研究结构光动态三维测量和建模的关键技术,力求在测量速度、精度、成本与范围之间找到平衡点,使其在动态环境下能够得到满意的重建效果。本文主要研究内容包括如下几方面:结构光三维测量技术的实现原理及主流的结构光编解码技术。研究高速相移结构光技术的实现方法,在三步相移结构光建模法的基础上,在条纹编码、相移解码、相位展开、相位补偿等方面进行改进,提出一种斜条纹自适应解码的相移结构光建模技术,在使用通用设备的情况下,平衡了结构光建模测量的速度与精度的矛盾。研究了点云的自动配准问题,采用两步配准策略,在配准两幅深度图像时,结合纹理图像配准深度图像,基于SIFT(scale-invariant feature transform)特征提取纹理图像中的兴趣像素,建立匹配像素对的候选集;使用RANSAC(random sample consensus)算法、三维几何约束信息和其他过滤方法对候选集进行筛选,并根据这些匹配顶点对计算出刚体变换矩阵的估计值;最后使用改进的ICP(iterative closest point)算法优化这一结果。总结本文的贡献,包括如下内容:第一,提出了一种斜条纹自适应解码的相移结构光建模算法,该算法在拥有一定精度条件下达到了实时动态测量要求。第二,对模型点云配准技术在空间增强现实系统中的运用进行了改进,提高了模型拼接的速度和稳定性。研究成果扩大了建模技术在空间增强现实的应用范围和实用性。

关键词：相移结构光粗略配准模型拼接增强现实计算机视觉计算机图形学三维重建