基于飞行时间法的3D相机研究综述

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...     

3D真的来了吗?——三维结构光传感器漫谈

三维成像与传感技术作为感知真实三维世界的重要信息获取手段,为重构物体真实几何形貌及后续的三维建模、检测、识别等方面提供了数据基础。近年来,计算机视觉和光电成像技术的发展以及消费电子与个人身份验证对3D传感技术日益增长的需求促进了三维成像与传感技术的蓬勃式发展。2D摄像头向3D传感器的转变也将成为继黑白到彩色、低分辨率到高分辨率、静态图像到动态影像后的"第四次影像革命"。《红外与激光工程》本期策划组织的"光学三维成像与传感"专题,共包含高水平稿件20篇,其中综述论文15篇,研究论文5篇。这些论文系统介绍了光学三维成像传感领域热点专题的研究进展与最新动态,主题全面涵盖了当前三维光学成像领域的前沿研究方向:结构光三维成像、条纹投影轮廓术、干涉测量技术、相位测量偏折术、三维立体显示技术(全息显示、集成光场显示等)、三维成像传感技术与计算成像相关交叉领域(如三维鬼成像)等。而此文作为本期专栏的引子,概括性地综述了典型的三维传感技术,并着重介绍了三维结构光传感器技术的发展现状、关键技术、典型应用;讨论了其现存问题、并展望了其未来发展方向,以求抛砖引玉。     

基于相关法飞行时间三维感知的误差机理研究

飞行时间测量是三维感知系统的重要原理之一。近年来随着半导体技术的发展,基于信号相关法的飞行时间测量系统以其无活动部件、高集成度、低功耗的优势,在三维成像领域迅速发展。文中系统研究了基于信号相关的飞行时间测量技术的数学原理,分析了其误差来源及其数学模型,并进行了横向对比。研究结果表明:飞行时间成像系统的光源误差、多路径误差和环境光是制约测量精度和适用范围的主要因素。     

基于格雷码图案投影的结构光三维成像技术

近年来,结构光三维成像技术被深入研究和广泛应用。在众多的结构光投影三维成像方法中,基于格雷码图案投影的三维成像技术因具有良好的鲁棒性和抗噪性被广泛地应用到工业检测、文物数字化及生物医学检测等领域。投影出去的格雷码图案作为一种结构光,可以直接用来调制被测面形高度分布,也可以用来辅助其他结构光的信息获取和计算,最终达到三维成像的目的。文中概述了基于格雷码图案投影的结构光三维成像技术,回顾了不同种类方法的基本原理以及研究进展,给出了课题组相关方向上的原理及应用研究结果,分析了格雷码二值图案在三维面形测量应用中的优缺点和适用范围,并指出了该领域今后的发展动向。     

单像素成像及其在三维重建中的应用

不同于数码相机使用光电探测器阵列来获取图像,单像素成像通过使用一系列掩膜图案对场景进行采样,并将这些掩膜图案中的信息与单像素探测器测量得到的相应光强做关联计算以重建图像。虽然在传统可见光成像领域,单像素成像性能远不如数码相机,但许多研究成果表明,其在复合波长、太赫兹、X射线以及三维成像等一些非常规应用中具有一定优势。介绍了单像素成像技术的发展历程,用数学模型对其成像原理进行了解释,并分析了影响其性能的要点。此外,文中还对三维单像素成像技术的研究工作及其潜在的应用前景进行了总结和展望。     

“光学三维成像与传感”专栏 序言

人类所处的物理世界空间是三维的,对三维信息的获取和处理技术体现了人类对客观世界的把握能力,因而从某种程度上来说它是体现人类智慧的一个重要标志。传统光探测器仅对被测场景的二维强度敏感而无法感知其三维形貌与深度信息。人类虽可通过自己的双眼来感知三维的世界,但无法对客观事物的三维形貌进行准确量化的描述。三维成像与传感技术作为感知真实三维世界的重要信息获取手段,为重构物体真实几何形貌及后续的三维建模、检测、识别等方面提供数据基础。     

基于多模光纤的光谱分析、射频谱感知及成像技术研究进展

随着信息领域的高速发展,人们对信息感知和处理技术的需求愈加多样,为满足功能需要,同时降低系统成本和复杂度,多功能一体化信息感知处理技术在民用及国防领域愈显重要。多模光纤作为一种能够同时传输多种模式光信号的光纤,早期主要用于短距离光通信领域。近年来,随着研究人员对其复杂物理特性研究的深入,多模光纤由于其宽带、无源、易于制造、低成本、便携等优势,在测量、光计算和图像传输等领域的应用也越来越广泛。本文从技术背景和原理等多个方面梳理了多模光纤在光谱分析、射频谱感知和成像技术三个方面应用的研究现状,阐述了其相对于传统方法的优势,并且指出了多模光纤面向这些特殊领域及一体化应用所面临的挑战及未来发展的趋势。      

基于深度测量的三维成像技术

由于三维（3D）成像技术有着广泛的应用,尤其是在信息和生命科学领域的应用,因此越来越受到人们的关注。这些技术大致可分为两类:基于光线的三维成像技术和基于波前的三维成像技术。传统成像技术存在系统装置复杂和成像质量不尽人意等问题,极大限制了其在相关领域的应用,因此基于深度测量的三维成像技术越来越受到重视。文中概述了基于深度测量的三维成像技术,分别详细描述了基于深度测量三维成像的光线场和光波场的相关技术,给出了光线场和光波场成像技术之间的联系,基于这些描述和分析,给出了基于深度测量三维成像研究领域的研究方向。     

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。     

基于激光的多相流测试技术应用研究进展

激光测速已广泛存在多相流动测量中,测量原理主要有相关性原理和多普勒原理,将两种测量原理分别与成像技术或光散射理论结合发展了多种测试技术。本文对基于激光的多相流测试技术在多相流动测量应用研究进展进行分析和综述,并对今后发展进行展望。粒子成像测速技术、激光多普勒测速仪、相位多普勒风速计等已成为多相流动参数测量的有效工具,激光诱导荧光技术在工程多相流动相分离领域应用前景较好。随着对多相流动机理认识的加深,三维粒子成像测速技术、全息粒子图像测速技术等将是今后多相流动测量领域发展的热点。     

基于相位调制的运动目标多光谱关联成像研究

为克服扫描方式多光谱成像无法捕获动态场景下的多光谱数据,提出了一种基于相位调制实现运动目标单次曝光多光谱成像方法。该方法将关联成像技术、压缩感知技术与光谱成像相结合,在成像光路中引入空间随机相位调制器,对运动目标物体三维图谱信息数据进行调制和压缩,然后利用探测器获取二维混叠信号,实现单次曝光获取运动目标的三维图谱信息重构,具有光能利用率高、成像时间短、系统结构简单等优点。实验结果表明:单帧CCD探测信号的电子数均值从200 e?按100 e?的间隔增加到1300 e?时,随着电子数均值增加,重构图像相对均方根误差rRMSE值对应减小,重构图像质量提高;当步进电机以30 Hz速度带动目标物体连续运动时,可获得较好质量运动物体的多光谱重构图像;采用光谱仪对目标物体中不同谱段的光谱分布曲线进行测试,所得结果与重构图像的光谱分布曲线相吻合,证明了该方法的有效性。研究结果对多光谱关联成像技术在无人机平台、动态监测等领域的应用提供了有益借鉴。     

滤光片分光型高光谱相机发展现状及趋势（特邀）

高光谱相机可将成像技术与光谱探测技术相结合,在对目标空间特征成像的同时,可以对每个空间像元形成多个窄波段实现连续的光谱覆盖,不同光谱信息能充分反映地物内部的物理结构、化学成分的差异。与传统的空间二维成像相比,高光谱相机可以同时获取目标的空间和光谱信息,在一定的空间分辨率下,能够获取宽谱段范围内地物独有的连续特征光谱,对地物的精准识别和探测具有显著优势,目前已成为对地遥感重要的前沿技术手段,在农、林、水、土、矿等资源调查与环境监测等领域具有重要的应用价值。随着滤光片镀膜技术的飞速发展,极大地促进了滤光片分光型高光谱相机的研制,目前基于滤光片分光原理的高光谱相机以大幅宽、高空间分辨率、高光谱分辨率和轻小型的优势成为高光谱遥感载荷的重要组成部分,在微纳卫星高光谱星座组网中获得广泛应用。主要对滤光片分光型的高光谱相机进行了综述,介绍了国内外典型滤光片分光型星载高光谱成像载荷,以及地面在研的滤光片分光型高光谱成像系统,并分析了这些系统的技术方案、性能指标及应用前景,阐述了基于滤光片分光原理的高光谱相机的技术特点和优缺点,最后展望了滤光片分光型高光谱相机的发展趋势。     

双通道接收的无扫描激光成像技术

比较了几种无扫描激光三维成像技术的优缺点,提出一种基于双通道接收的强度调制型无扫描激光三维成像技术,该技术具有成像速度快、精度高、可靠性好、距离远的特点。采用大功率脉冲激光器作为激光照射源,两路ICCD同时接收,双通道分光系统将接收回波分到两路ICCD,通过两路ICCD强度信息反演出目标各点距离信息。重点介绍了该项技术工作原理和实现方法,研制了原理样机,进行了成像实验,对成像结果进行了分析,实现了作用距离5.1 km、作用距离30 m时距离分辨率0.25 m的技术指标。     

基于偏振图像的低照度场景多目标检测算法

偏振光反射信息可直接反演目标本征特性,且在传输过程中具备较强的抗干扰特性,因此偏振成像技术可适用于多种复杂环境中的智能监控、交通监察领域。近年来使用深度学习判读图像检测目标的方法迅速发展,已经广泛应用于图像处理的各个领域。本文提出了一种基于偏振图像与深度神经网络算法的行人、车辆多目标检测算法YOLOv5s-DOLP。首先,通过实时获取到偏振图像进行偏振信息解析,获取目标偏振度图像。其次,为增强偏振度图像中检测目标与背景存在高对比度的特性,在主干网络中引入通道注意力与空间注意力,提升网络特征进行自适应学习的能力。此外,使用K-means算法对目标位置信息进行聚类分析,加快网络在偏振度图像的学习速度,提升目标检测精度。实验结果显示,该算法结合了偏振成像和深度学习目标检测的优势,对于低照度复杂场景中的车辆、行人目标检测效果好、检测速度快,对于道路车辆的目标检测、识别与跟踪具有一定的应用价值。     

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。     

集成成像3D信息获取技术

集成成像作为一种新型裸眼三维(3D)显示技术,能够完整获取3D信息并还原再现,是目前最具发展前景的裸眼3D显示技术之一。其中,对3D信息的完整获取通过记录场景不同角度的视差信息,并以微图像阵列形式进行呈现,不仅能够为集成成像显示提供3D内容,更作为一种多维度信息获取手段,在被遮挡场景的探测成像、目标识别、2D/3D信息加密和显微3D成像等多个领域得到应用。文中对集成成像3D信息获取的基本原理、不同类型的集成成像3D信息获取技术以及集成成像3D信息实时获取技术进行综述,并讨论现存的一些问题以及未来发展趋势。     

基于MPPC阵列的三维单光子成像技术研究

三维成像技术在自动驾驶、航空任务、军事领域等都有着广泛的应用,不同技术体制的成像系统有不同的优点,其中基于多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter, MPPC)的三维成像技术由于其成像速度快、对极弱光敏感等优势具有广阔的发展潜力。然而,由于MPPC阵列发展不成熟,基于MPPC阵列的弱光三维成像探测水平受到限制。利用日本滨松公司研发的具有32×32规模的MPPC阵列S15013系列二维光子计数图像传感器,开发了一套三维成像系统,传感器的每个像素由12个单光子雪崩二极管并联而成,其总探测像素达到1 K以上。基于该系统,分析了阈值电压、镜头光阑等参数条件对三维成像探测结果的影响,对系统探测灵敏度和精度进行了测试,并针对37 m远模拟目标开展了三维成像探测试验。试验结果表明:在回波光子数约1.98 (光子/像素)的暗弱条件下,目标区域测距精度达到0.268 m,三维结构特征明显,达到了接近单光子成像的探测水平。     

海面目标高分辨率卫星成像仿真方法

海洋目标高空间分辨率遥感成像仿真技术在海面目标探测识别等方面得到了广泛应用。舰船与海水流体交互作用在高分辨率下得以显现,对其产生的复杂流场辐射模拟是成像仿真的主要难点。重点研究了舰船航行过程中与海水交互产生的流场几何形态和物性变化,提出了与海面方向辐射特性的耦合作用模型及海洋目标高分辨率遥感成像仿真方法。通过频谱分析的方法构建海面三维模型,使用计算流体力学的方法构造了船只航行流场的三维几何模型。根据海面组分分布的不同将其辐射特性与三维结构关联,构建了亚米级海洋场景三维辐射模型。通过辐射传输计算、场景内部多次反射模拟及大气影响和传感器效应仿真,最终得到观测条件下的卫星遥感图像。结果表明,将GF-6卫星全色波段实测图像与相同成像条件下的仿真图像对比,图像均值的误差为9.17%,标准差误差为9.21%,在平均灰度值、灰度分布、纹理细节等方面都具有较好的一致性,可以较真实地模拟高分辨率卫星成像下的海洋目标场景。     

相干激光引信综述(特邀)

激光相干探测具有灵敏度高、携带信息丰富等优势,在军事、测绘、通信等领域得到了广泛的应用,特别是在激光雷达和激光通信领域的应用发展迅速,但在激光引信领域尚没有大规模地开展。相干探测应用到激光引信是通过检测激光多普勒信号获得目标的相对速度信息,利用速度差别极大地提高激光引信抗自然环境的干扰能力。介绍了相干探测的原理及特点,详述了四种相干激光引信体制,针对典型的线性调频相干激光引信,对其工作原理及系统组成进行了介绍。目前相干探测激光引信技术尚处于起步阶段,由于该体制可以极大提升激光引信的抗干扰能力及作用距离等综合性能,具有广阔的应用前景,值得各相关研究机构进行深入研究,进而加快相干激光引信的工程化应用进程。