基于TOF计算成像的三维信息获取与误差分析

TOF三维成像技术具有帧内并行主动探测、获取景物信息的实时性好、环境光影响小、测量精度高、抗运动干扰性强、平均功耗低等优势,在三维智能感知、工业检测、SLAM等领域有着广泛的应用前景,特别是在自主导航,驾驶控制与智能系统中作为获取实时三维成像信息的传感器得到了迅速发展。研究了两类TOF成像的原理及特点,论述了其系统组成,并将TOF成像原理与其他主流三维成像技术进行了对比,对其主要误差来源和类型进行了归类和分析,研究了测量误差模型。TOF成像作为新一代三维成像技术仍处于发展阶段,可以有效提升智能系统的成像感知能力和测量水平,推动了相关领域的技术进步。     

基于4相位剖面的距离测量方法

TOF三维成像技术是利用光信号的飞行时间来判断物体的距离,在尺寸测量、机器安全、汽车防撞系统、无人机地形辅助等方面有着广泛的应用前景和潜在的市场价值。本文针对分辨率360×240的三维成像器件EPC660进行介绍,说明4相位剖面的距离距离测量原理、像素域成像架构与误差消除、信号同步和距离质量判断,特别是环境光、温度、元器件老化等多种影响距离精度的消除方法进行了分析。在实际应用测量中,近距离目标物体的反射率对距离测量的影响较大,会造成采集的数字量饱和。下一步在近距离目标物体距离测量进行研究,为进一步应用TOF三维成像技术在目标物识别方面的应用打下基础。     

全偏振态同时探测实时彩色偏振成像技术

偏振光学成像技术作为一种新型的光学成像技术,通过对光波偏振特性的探测,增加了信息的探测维度,有利于全面、准确地获取目标的信息.文中阐述了偏振成像的探测方法,典型偏振成像系统的分类;详细介绍了一种基于Stokes矢量方法的分孔径全偏振态同时探测的实时彩色偏振成像相机;利用该相机进行了全偏振度成像实验和偏振去雾成像实验.实验表明全偏振态同时探测偏振成像技术在提高成像探测距离、目标细节获取及恢复等方面具有一定优势,能够为现代光学成像探测系统提供重要的技术补充.     

利用水下平行光管测量水下相机成像分辨率

水下光学成像是重要的水下探测方式。现有水下相机成像检测方法受到水体本身以及测量方法的影响,难以准确进行成像分辨率检测。提出了基于水下平行光管的水下相机成像分辨率检测技术,通过在水中产生平行光束,直接对水下相机成像分辨率进行检测。通过仿真得出：水下平行光管在水中可见光和空气中单波长的调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)基本一致。利用这一结论,提出了水下平行光管空气中装调检测的方法。针对实验室所研制的一款水下相机开展实验测试,其在水中可见光与空气中635 m光源照明条件下的分辨率相同。实验结果表明,所提出的基于水下平行光管的水下相机成像分辨率检测方法可有效消除水体对分辨率测量的影响,实现水下相机成像分辨率的准确测量。     

TOF相机实时高精度深度误差补偿方法

TOF（Time-Of-Flight）相机获取的深度值存在着边角畸变和精度偏移，目前主要是通过误差查找表或曲线拟合等技术进行误差补偿，计算量大且补偿速度慢。通过对TOF相机在不同距离的深度误差分布规律的分析，提出了一种实时、高精度的误差补偿方法。该方法利用TOF深度图像的旋转对称性以及误差分布的特性，简化了误差补偿模型、降低参数数量级，有效提升了补偿的精度和速度。将算法应用于基于TOF原理的Kinect v2深度传感器进行深度补偿，使得有效距离内平面度误差下降到0.63 mm内，平均误差下降到0.704 0 mm内，单帧数据补偿时间在90 ms内。由于该算法仅基于光径差进行补偿，因此适用于所有TOF原理的相机。实验结果表明，该算法能够快速有效减少TOF相机的深度误差，适用于实时、高精度的大视场三维重建。     

基于面阵CCD图像检测的光电影像测量系统

图像检测技术可应用于零件微小间隙的测量.本文依据远心光学成像,将被测零件单元光学成像至面阵CCD相机靶面,对图像进行去滤波除噪、图像增强,将Sobel运算应用于基于梯度算法的图像边缘检测,并用修正实测标定系数的方法提高实测精度,能够胜任生产中不同环境下的微间隙测量.实验结果表明,测量精度为6μm,基本满足自动影像测量稳...     

基于Stokes矢量的双相机偏振成像系统

针对传统偏振成像技术机械振动大、系统不稳定的问题,提出了一种基于Stokes矢量的双相机偏振成像技术,在液晶驱动控制器的作用下,驱动2个液晶可调相位延迟器(LCVR)进行柔性调制,利用相机采集目标的偏振图像,进一步得到Stokes矢量的分量图像,解算出偏振度、偏振角图像.该方法利用双相机同时成像技术,解决了单相机采集信息不完整的问题,可以实现完全Stokes测量,同时获得目标的线偏振和圆偏振图像.实验结果表明,偏振度(Dop)图像相较于线偏振度(Dolp)图像,包含了更多的细节信息,Dop图像在图像评价指标方面均有5％以上的提升,说明Dop图像可以更好地还原被测目标物.采用该方法可以提高对静态目标的识别能力.     

一种基于非参数模型的相机内参校准方法

影响大空间视觉三维坐标测量不确定度的主要因素有相机内参数、外部方位参数和特征成像质量.传统相机内参数校准方法需要参数模型化及全局最优化求解方法,会造成各内参数相关性过高,局部校准误差较大,对基于测角的测量方式不确定度影响较大、结合相机成像原理及垂线法,提出了一种基于物理参数校准的方法,对主点位置偏移、全视场范围非均匀镜头畸变等参数进行了精细校准.最后,以交比不变误差作为相机校准精度的评价方法,与传统校准方法的对比实验表明,该校准方法能够有效地提高测量不确定度指标,是一种简单、实用的校准方法.     

美国Bodkin设计与工程公司开始研制用于无人机系统的具有模式切换功能的偏振相机

据www.vision-systems.com网站报道,美国Bodkin设计与工程公司最近从美国空军获得了一份合同,他们将研制一种可以使红外相机从高分辨率红外成像模式切换到红外偏振成像模式的偏振元件。利用偏振成像技术可以对某一场景中各点发出的光的偏振状态进行测量。这种信息(特别     

利用双神经网络的相机标定方法

计算机视觉中,摄像机标定作为摄像测量技术的前提,是必不可少的一个环节.针对目前基于神经网络的相机标定方法训练精度不够高的问题,提出了一种基于双神经网络的相机标定方法.该方法从成像模型出发,推导出相机坐标Zc是世界坐标Zw和像素坐标μ,v的函数,在考虑了Zc的变化的基础上,将成像模型简化成两个函数关系式,使用两个神经网络进行标定,分化了单个神经网络的任务量的同时又充分遵循了成像模型.实验结果表明,较其余基于神经网络的相机标定方法,该方法提高了相机标定的精度,在400 mm×300 mm标定范围内平均标定误差为0.1786mm,验证了所提方法的可行性和有效性.     

小视场集成成像三维信息获取技术研究

为了满足利用非接触式方法获取小 视场三维信息的要求, 研究了一种基于集成成像技术获取小视场三维信息的系统,并在借鉴传统微透镜阵列(MLA) 及相机阵列工作模式的基 础上,通过利用精密二维平移台,巧妙地将相机阵列应用于获取小视场三维信息中。系 统工作时,首先将相机 获取的图像合成元素图像阵列,并运用相应的算法实现三维重建与测量。实验结果表明,本 文系统获取了相对清晰、没有相互串扰的元素图像阵列,实现了完整且细节丰富的三维 图像再现;可以 获取待测物体上任意一点的三维坐标,并且三维测量误差保持在0.3 mm 以内。实验结果相对理想,为集成成像技术应用于高精密测量提供了理论基础。     

基于正交柱面成像相机的大尺寸三维坐标测量

提出了一种基于正交柱面成像相机的大尺寸三维坐标测量方法。正交柱面成像相机由一个正交柱面成像光学系统和两个正交放置的线阵CCD组成,它们分别被用来检测被测点的水平角和垂直角。一个相机决定了两个角度,两个相机交汇,即可实现被测点的三维坐标测量。所提出的方法在精密坐标测量特别是动态位置跟踪方面具有突出的优势。一个灵活的内参标定方法被用来标定正交柱面成像相机,内参标定后相机在水平方向和垂直方向角度测量误差的均值分别为1.85和2.16。另外,双相机的外参标定也被介绍,外参标定后系统的坐标测量精度优于0.52 mm。实验结果表明:所提出的三维坐标测量方法有效,具有良好的测量精度。     

单点相位式TOF深度探测器研究与设计

设计了一种单点相位式TOF深度探测器,并提出了相应的深度数据校正模型和消除数据抖动的方法,有一定的实用价值。国内外非常关注单点TOF相机芯片研究,广泛应用于手机、生物医疗、构建三维场景等领域。本文设计完成了数字模块设计并对顶层状态机及时序驱动信号进行寄存器巧妙配置,与模拟部分结合提高系统集成度。设计对深度测量的系统误差分析归纳原因,对深度数据校正模型进行误差校正,更好的还原三维场景的深度值,提高测量精度。通过高斯滤波、设置参数等方式消除数据抖动,提高测量稳定性。此系统与其他测量方式相比可直接输出深度图,具有模组体积更小,成本、功耗更低等优点。     

线阵扫描三维成像激光雷达系统

针对小型智能机动平台对三维成像激光雷达小型化、低功耗、高精度、快速成像的特定应用要求,基于集成激光器阵列和APD探测阵列设计并实现了12元线阵扫描三维成像激光雷达系统;基于高速数字处理芯片和高精度时间间隔测量芯片实现了并行高精度激光脉冲飞行时间测量和实时数据处理和传输。详细描述了系统原理、组成部分以及实验结果。实验验证该系统激光脉冲重复频率大于10 kHz,垂直方向激光单元角度间隔小于2.5 mrad,近距离距离分辨率优于2.4 cm,测量数据统计标准差小于1,各通道一致性良好。在高速水平扫描转动平台驱动下实现了室内三维场景重构以及高塔大视场远距离目标探测成像实验。     

Robust Optical Time-of-Flight Range Imaging Based on Smart Pixel Structures

The reliable detection of the three-dimensional position of arbitrary objects in a scene is a key capability of most animals and one of the most important tasks in machine vision. Today's preferred technical solution is optical time-of-flight (TOF) range imaging, due to its simplicity, its distance resolution, its large and adaptable measurement range, as well as the absence of shadowing problems. In order significantly to extend the application areas of TOF 3-D cameras, in particular for outdoor use, we show how their performance can be improved in all relevant respects: Background light suppression is improved by an order of magnitude by the minimum charge transfer method. Multicamera operation is achieved by a binary pseudo-noise modulation/demodulation technique. This method also avoids all practical ambiguity problems typically encountered with harmonic modulation. Higher temporal demodulation resolution becomes possible with a pixel structure employing lateral electric fields. We have realized such pixels with a commercially available CCD/CMOS process, and our measurement results confirm that gigahertz demodulation imaging is possible. The practicality of all theoretical concepts is demonstrated with a miniaturized TOF 3-D camera platform whose LED array light source is modulated at a typical rate of 20 MHz. Our work contributes, therefore, to opening up new application domains of the soaring optical TOF range imaging techniques.      

光场相机建模与畸变校正改进方法

光场相机作为一种新型的成像系统,可以直接从一次曝光的图像中得到三维信息。为了能够更充分有效地利用光场数据包含的角度和位置信息,完成更加精准的场景深度计算,从而提升光场相机的三维重建的精度,需要实现精确的几何建模,并精确标定其模型参数。该方法从薄透镜模型和小孔成像模型出发,将主透镜建模为薄透镜模型,将微透镜建模为小孔成像模型,结合光场相机双平面模型,将每个提取到的特征点与其在三维空间中的射线建立联系,详细解释了内参矩阵中每个参数的物理意义,以及标定过程中初值确定的过程,并在镜头径向畸变模型的基础上进一步应用了相机镜头的切向畸变模型以及基于射线重投影误差的非线性优化方法,改进了光场相机的标定方法。实验显示,该方法的RMS射线重投影误差为0.332 mm,与经典的Dansereau标定方法相比,进行非线性优化后得到的射线重投影误差精度提升了8%。该方法详细分析的场景点与特定像素索引的推导过程对光场相机的标定具有重要的研究意义,为光场相机光学模型的建立与初始化标定奠定了基础。     

飞行时间深度相机和彩色相机的联合标定

飞行时间（TOF）深度相机等深度传感器可以实时、准确地获取深度信息,在计算机视觉领域受到广泛关注。本文以获取同一视野下场景的纹理信息和深度信息为目的,在传统的棋盘格标定方法基础上,针对TOF深度相机的低分辨率和较大的径向畸变的特点,采用角点稀疏的棋盘格作为标定板以提高角点检测的精度,提出一种TOF深度相机和彩色相机的联合标定方法。首先对彩色相机和深度相机单独标定,使用传统的棋盘格标定方法获得彩色相机的内部参数,对使用深度相机所拍的强度图进行畸变校正后再求得深度相机的内部参数。然后,固定两相机内参,多次实验获得两相机之间的相对位置关系,并使用最小二乘法进行优化。实验结果表明,该方法标定精度高,彩色相机的重投影误差最多可减小0.15个像素,深度相机的重投影误差最多可减少0.09个像素,根据标定结果将深度相机所得的深度图投影到彩色相机的视野下所得的投影深度图能和彩色图像精确对齐。