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脉冲连续摄影原理与超高速高动态成像验证

电子学报 2022年第12期50卷 2919-2927页

作者：黄铁军北京大学计算机学院多媒体信息处理全国重点实验室北京100871

传统相机采用定时曝光方式获得静态图像或图像序列形式的视频,不能有效表达极高速的光子流过程,而且导致高速和高动态相互对立的“两难困境”.基于光电传感器像素独立的特点,提出了连续摄影原理:每个像素各自把接收的光子流转换成电子流... 详细信息

传统相机采用定时曝光方式获得静态图像或图像序列形式的视频,不能有效表达极高速的光子流过程,而且导致高速和高动态相互对立的“两难困境”.基于光电传感器像素独立的特点,提出了连续摄影原理:每个像素各自把接收的光子流转换成电子流,连续测量光电流并转换成数字信息流,实现像素级别的连续表达,再按照像素空间排布组成序列阵列,就是对像素平面入射光子流过程的连续表达.截取序列阵列任何一个时刻的状态就可得到该时刻的图像,从而实现连续成像.进而,提出了把光电子流调制为脉冲序列的脉冲连续摄影原理:像素从清空状态开始积累电荷,达到额定阈值时产生一个脉冲作为积满标志并自动复位重新开始累积,如此重复.一个脉冲积满所经历的时间称为它的脉宽,与这个时段的光强成反比,据此可以估计这一时段的光强.脉冲按照自然时序排列而成的脉冲序列就是对光电子流过程的数字化表达.各像素产生的脉冲流按照像素空间分布排列而成的脉冲流阵列称为视象,蕴含了光过程丰富的时空信息,从中可以生成任意时刻的图像,实现超高速、高动态、无模糊连续成像,解决了定时曝光成像的“两难困境”.脉冲连续摄影原理的唯一参数是累积阈值Q,对应积满一个脉冲所需光子/电子数,唯一变量是脉冲累积时长τ,是最容易准确测量的物理量,并可以利用自然时序简练表达.任意时刻的光强为Q/τ,由所处脉冲的宽度τ决定,τ的取值范围是(0,∞),因此理论上可以表达任意强度的光,动态范围无穷大.实际物理实现中,强光表达的极限取决于电路最短读出时间,暗光表达极限就是暗电流强度,它累积为一个脉冲的时长■即相机的动态范围,采用常规光电器件和电路就能实现160 dB甚至180 dB超高动态成像.在要求成像时间灵敏度小于■时,可通过对累积电压亚阈值量化,实现超高动态成像.光子流和光电子流是符合泊松分布的离散随机过程,往往是一个“分段线性”过程光强瞬时突变,突变之间光强稳定.提出了实现脉冲流最简无损压缩的首脉冲编码方法:只在光强变化时输出首脉冲发放时刻及其脉宽,之后不输出脉冲就表示重复.采用首脉冲序列编码,可在几乎不增加输出数据量条件下,大幅提高时间计量精度,显著提升系统的动态范围和时间灵敏度.采用成熟CMOS光电器件和标准工艺,研制了两款脉冲连续摄影芯片和脉冲相机,空间分辨率分别为10万像素和100万像素,采用4万赫兹同步脉冲输出,即最短脉宽25μs.实拍试验验证了脉冲连续摄影原理的可实现性和超高速高动态无模糊成像性能.脉冲连续摄影视象蕴含了光子流的时空信息,替代图像和视频,将从根本上重塑计算机视觉和视觉信息处理技术和产业.创立了脉冲视觉开源算法体系SpikeCV,用较低计算复杂度实现了速度比人眼快千倍的超高速目标检测跟踪识别系统.作为脉冲连续摄影的对称过程,脉冲连续显示把超高速脉冲流调制为极高速光子流,能够实现类似自然光的高速变化,解决了传统显示系统因为低帧率带来的运动模糊和视觉疲劳眩晕等问题.连续摄影和连续显示相结合,可实现近似玻璃的单向透明显示和超高速无介质光通信.

关键词：光电传感器脉冲序列调制连续摄影高动态成像超高速成像相机视象

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基于渲染误差的倾斜摄影点云简化算法

中国科技论文 2023年第3期18卷 283-291页

作者：谭博文李文峰汪听雨苏江姗张严辞四川大学计算机学院成都610065 视觉合成图形图像技术国防重点学科实验室(四川大学) 成都610064

在使用倾斜摄影测量点云作为基础数据并通过网络传输的智慧城市应用背景下,针对现有建立LOD层级时使用的简化算法的简化条件不直接面向模型渲染效果,以及简化过程未考虑到模型用于渲染的传输代价问题,提出了基于渲染误差的迭代算法。首... 详细信息

在使用倾斜摄影测量点云作为基础数据并通过网络传输的智慧城市应用背景下,针对现有建立LOD层级时使用的简化算法的简化条件不直接面向模型渲染效果,以及简化过程未考虑到模型用于渲染的传输代价问题,提出了基于渲染误差的迭代算法。首先提出一种面向渲染效果的误差度量方式,并给出了简化过程中计算渲染误差的方法;其次对同一LOD层级点云数据设置统一的渲染时半径属性,并建立基于视距的点云面片半径估算策略;最后改进迭代简化流程,使用统一的半径作为邻域搜索范围,以区域渲染误差小作为优先简化的条件,使用局部邻域替代法更新邻域代表顶点。实验证明,相同简化率下所提方法得到的模型在具有较小数据量的同时具有较优的渲染效果。

关键词：点云简化渲染效果倾斜摄影网络传输

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光学坐标测量系统中的关键技术

红外与激光工程 2007年第3期36卷 296-299页

作者：邾继贵王大为王鑫叶声华天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072

光学坐标测量系统是建立在数字近景摄影测量技术基础上的一种新型精密测量系统,具有便携性好、精度高、测量范围大、受环境干扰小等优点,适合工业工程的现场测量。针对工业现场精密测量的需求,对摄像机模型进行了分析,提出了摄像机残差... 详细信息

光学坐标测量系统是建立在数字近景摄影测量技术基础上的一种新型精密测量系统,具有便携性好、精度高、测量范围大、受环境干扰小等优点,适合工业工程的现场测量。针对工业现场精密测量的需求,对摄像机模型进行了分析,提出了摄像机残差修正问题,给出了修正方法及基于双目立体视觉原理的通用坐标测量数学模型。搭建了完整的光学坐标测量系统,测量精度优于±0.1mm/m。

关键词：计算机视觉摄像机模型残差修正光学坐标测量系统

SfM摄影测量方法在活动构造定量研究中的应用

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地震地质 2017年第4期39卷 656-674页

作者：毕海芸郑文俊曾江源俞晶星任治坤中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室北京100029 中山大学地球科学与工程学院广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室广州510275 中国科学院遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室北京100094

高精度、高分辨率的地形地貌数据是活动构造定量研究的基础。摄影测量方法的出现和快速发展为获取高精度地形地貌数据提供了一种经济有效的技术手段。相比于传统的测量方法,摄影测量方法可在大范围内同时进行,不受地面通视条件的限制,... 详细信息

高精度、高分辨率的地形地貌数据是活动构造定量研究的基础。摄影测量方法的出现和快速发展为获取高精度地形地貌数据提供了一种经济有效的技术手段。相比于传统的测量方法,摄影测量方法可在大范围内同时进行,不受地面通视条件的限制,且测量成本相对较低。尤其近年来,随着计算机视觉理论及高效的自动特征匹配算法的发展,一种名为"Structure from Motion"(SfM)的三维重建技术被引入摄影测量方法中,极大地提高了摄影测量的自动化程度。文中介绍了摄影测量方法的基本原理及发展历程,并综述了摄影测量方法在活动构造研究中的应用,最后通过SfM摄影测量方法在活动构造研究中的1个具体应用实例,展示了摄影测量方法在活动构造定量研究中的巨大应用潜力。

关键词：摄影测量 Structure from Motion(SfM) 高精度地形地貌数据活动构造

三维遥感影像立体观察与视差校正仿真软件的研究与开发

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实验室研究与探索 2016年第3期35卷 77-81页

作者：童恒建裴谦中国地质大学(武汉)计算机学院湖北武汉430074

摄影测量与遥感课程是遥感科学与技术、测绘科学与技术、地理信息系统等专业的必修课。立体观察是摄影测量与遥感课程中重要理论部分和实验环节。双目视差是产生立体视觉的基础。但是,如果视差太大,将产生复视现象,导致视觉疲劳,所以要... 详细信息

摄影测量与遥感课程是遥感科学与技术、测绘科学与技术、地理信息系统等专业的必修课。立体观察是摄影测量与遥感课程中重要理论部分和实验环节。双目视差是产生立体视觉的基础。但是,如果视差太大,将产生复视现象,导致视觉疲劳,所以要进行视差校正。在实验室中,常用的立体观察方式有互补色立体观察、偏振光立体观察等。这些观察方法需要相应的硬件和立体像片;不仅价格昂贵,而且像片和设备容易耗损。三维遥感图像立体观察与视差校正的仿真软件是基于浏览器/服务器模式开发的。任何地方的学生,只要带上红青互补色眼镜,通过浏览器就可以观测到两幅图像合成后的立体影像;视差校正既有模仿硬件观察的手动方式,也有智能的自动校正方式。

关键词：摄影测量与遥感三维遥感影像立体观察视差校正

倾斜影像自动空三及其在城市真三维模型重建中的应用

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武汉大学学报（信息科学版） 2016年第6期41卷 711-721页

作者：李德仁肖雄武郭丙轩江万寿时月茹武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室湖北武汉430079 地球空间信息技术协同创新中心湖北武汉430079

在一种具有视点不变性的改进的倾斜影像自动匹配方法的基础上,针对多视倾斜影像光束法平差方法中未知参数多的问题(例如可能导致平差解算不稳定),提出了带有相对姿态参数的倾斜影像光束法平差模型,并给出了该模型的适用范围。对一套典... 详细信息

在一种具有视点不变性的改进的倾斜影像自动匹配方法的基础上,针对多视倾斜影像光束法平差方法中未知参数多的问题(例如可能导致平差解算不稳定),提出了带有相对姿态参数的倾斜影像光束法平差模型,并给出了该模型的适用范围。对一套典型的数字倾斜摄影仪SWDC-5的倾斜影像数据进行实验,结果表明:当相机之间曝光延迟小,且相对姿态参数可以看作比较严格的刚体时,该方法的自动空中三角测量(简称空三)处理精度较高,单位权中误差为0.46像素,像点平均残差为0.27像素。将该空三成果应用到城市真三维模型重建中,计算机自动得到的三维表面模型纹理比较自然、真实,能够满足一定程度的视觉需求,为大规模城市真三维模型重建提供了参考。

关键词：倾斜影像光束法平差倾斜影像匹配物方面元多视立体匹配泊松表面重建三维重建三维城市模型

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倾斜影像的三维纹理快速重建

测绘学报 2015年第7期44卷 782-790页

作者：张春森张卫龙郭丙轩刘健辰李明西安科技大学测绘科学与技术学院陕西西安710054 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室湖北武汉430079 武汉大学遥感信息工程学院湖北武汉430079

针对三维城市模型重建,提出了一种利用倾斜影像实现城市模型纹理快速重建的方法。该方法基于摄影测量计算机视觉理论,在事先处理得到城市建筑物数字表面模型的基础上,利用共线方程计算物方与像方的几何投影关系,获得建筑物的三维信息与... 详细信息

针对三维城市模型重建,提出了一种利用倾斜影像实现城市模型纹理快速重建的方法。该方法基于摄影测量计算机视觉理论,在事先处理得到城市建筑物数字表面模型的基础上,利用共线方程计算物方与像方的几何投影关系,获得建筑物的三维信息与纹理信息。通过一定的最优算法选择出地物面的理想纹理,实现城市建筑物纹理的自动提取及稠密建筑物纹理的遮挡处理。真实影像纹理重建的结果表明:应用本文方法进行三维城市模型纹理重建具有自动化程度高、效果逼真、成本低的特点,为快速、大面积的城市真三维模型纹理重建提供了一种有效的实现途径。

关键词：三维城市模型纹理重建倾斜影像遮挡处理

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利用点云检测室内导航元素的方法综述

武汉大学学报（信息科学版） 2018年第12期43卷 2003-2011页

作者：危双丰刘明蕾赵江洪黄帅北京建筑大学测绘与城市空间信息学院北京102616 代表性建筑与古建筑数据库教育部工程中心北京102616 现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室北京102616 建筑遗产精细重构与健康监测北京市重点实验室北京102616

随着大型公共设施的普及和人们室内活动的增多,人们对构建室内精细化导航模型的需求日渐迫切。近年来飞速发展的三维激光扫描、摄影测量、计算机视觉等技术,能够快速高效地获取高精度室内点云数据,为室内精细化导航提供丰富的数据源。... 详细信息

随着大型公共设施的普及和人们室内活动的增多,人们对构建室内精细化导航模型的需求日渐迫切。近年来飞速发展的三维激光扫描、摄影测量、计算机视觉等技术,能够快速高效地获取高精度室内点云数据,为室内精细化导航提供丰富的数据源。如何从海量杂乱的点云中提取出可用于室内导航路径规划的室内导航元素如房间、门窗、楼梯、走廊等,成为了研究的热点和难点。因此,从基于点云的室内导航元素提取所面临的问题出发,综述和评价了近年来各种导航元素提取的相关理论和算法,并针对其各自优缺点,提出利用几何方法与统计方法相结合实现室内导航元素检测和导航网络构建的新思路。

关键词：点云室内导航元素三维重建点云分类语义标注

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建筑物三维重建方法综述

遥感技术与应用 2009年第6期24卷 832-840页

作者：王继阳文贡坚吕金建李德仁国防科技大学电子科学与工程学院ATR重点实验室湖南长沙410073 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室湖北武汉430079

建筑物三维重建的最终目的是高精度、全自动、逼真地生成建筑物的三维模型,它是涉及摄影测量与遥感、计算机视觉、计算机图形学和模式识别等领域的一个热点问题。从建筑物检测、三维模型重建以及模型可视效果增强等3个方面出发总结了现... 详细信息

建筑物三维重建的最终目的是高精度、全自动、逼真地生成建筑物的三维模型,它是涉及摄影测量与遥感、计算机视觉、计算机图形学和模式识别等领域的一个热点问题。从建筑物检测、三维模型重建以及模型可视效果增强等3个方面出发总结了现有解决该问题的方法,并从自动化程度、适用范围、复杂性等方面对一些代表性的方法进行了对比分析。最后根据当前的研究现状和应用需求,提出了若干个开放性问题和一些可能的解决途径。

关键词：三维重建建筑物检测建筑物模型纹理映射综述