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导读:一个小型光学投影装置、几只高速摄像机与计算机相连,当物体放置在这台成像系统前时,显示器上将展现的是该物体的实时三维影像。不仅如此,即便是人眼都无法捕获的高速运动中的物体,如正在下落的乒乓球、快速转动的电扇叶片,在此系统前都“无处遁形”,且所拍摄到的还是完完整整的三维数据。

 

  日前,南京理工大学电子工程与光电技术学院左超教授,在实验室演示了他的最新科研成果——快速三维光学传感技术。该技术突破了传统结构光三维测量方法的若干速度瓶颈,使扫描速度大大提高,将测量对象从静止、缓变扩展到实时、高速甚至瞬态变化领域提供了一条有效途径。
  据左超介绍,之所以能达到如此高的三维成像速度,秘诀在于他们所用的光学投影系统以及三维重建的方法。
左超解释,三维数据的获取主要有3个步骤,将结构光投影到待测物体上,通过照相机拍摄图像,再通过图像重构三维数据。“目前,现有技术,一秒最多只能向物体投射数十幅结构光,而我们的技术可以达到两万幅。”
左超介绍,这个突破借助了他们设计的数字微镜阵列投影系统,在一个1厘米见方的平面上,设置了百万个角度可变的小镜子,拍摄过程中,这些小镜子能实现快速翻转,从而达到光学图案的快速切换。

  早在2011年,左超就在陈钱教授的带领下开始了三维光学传感相关研究工作,并于2012年研发出了实时三维成像系统。
该系统一秒钟可以实时拍摄120帧三维数据,比电视机的刷新频率要高5倍,而在当时,传统技术重构一幅三维图像需要数秒。最近,左超团队对该技术进行改良,通过条纹编码信息复用与极线约束的方式使成像效率得到了进一步提高。该成果发表在Optics Express,并被选作OSA Image of the Week(美国光学学会周图)亮点报道。

 “就在刚刚那一秒的瞬间,我们的光学仪器已经向物体投射了两万次变换的光学图案,并利用高速摄像机进行同步拍摄,最后由这些图像重构了5000幅的三维图像。”左超介绍,之所以能达到如此高的三维成像速度,秘诀在于他们所用的光学投影系统以及三维重建的方法。

  他解释,三维数据的获取主要有3个步骤,将结构光投影到待测物体上,通过照相机拍摄图像,再通过图像重构三维数据。“目前现有技术,一秒钟最多只能向物体投射数十幅结构光,而我们的技术可以达到两万幅。”他介绍,这个突破借助了他们设计的数字微镜阵列投影系统,在一个1厘米见方的平面上,设置了百万个角度可变的小镜子,拍摄过程中,这些小镜子能实现快速翻转,从而达到光学图案的快速切换。

  在图片的利用、三维数据的重建上,他们也突破了瓶颈。“以往的算法,需要十余幅图像甚至更多才能重构一次三维数据,而我们的新算法最少仅需3幅。瞬间生成的图像多,重构需要的图像少,这样一来一去,获得的三维数据量大大增加,三维模型就更快速、准确。”

  左超介绍,即便是人眼无法捕获的高速运动中的物体,如正在下落的乒乓球、快速转动的电扇叶片,在此系统前都“无处遁形”,能够被捕捉到完完整整的三维数据。

  据左超介绍,早在2011年,他就在陈钱教授的带领下开始了三维光学传感相关研究工作,并于2012年就研发出了实时三维成像系统。该系统一秒钟可以实时拍摄120帧三维数据,这比我们平时所看的电视机的刷新频率都要高5倍,而在当时传统技术重构一幅三维图像需要数秒种。而最近,他们对该技术进行了改良,通过条纹编码信息复用与极线约束的方式使成像效率得到了进一步提高,测量精度。该成果发表在Optics Express,并被选作OSA Image of the Week(美国光学学会周图)亮点报道。

  “我们目前的工作是将成像速度再提升两个量级,突破10000帧每秒,抓拍到人眼都无法捕捉的三维信息。” 左超指着计算机屏幕上的三维风扇介绍道。“现在我们已经做到1250Hz,这个速度足以捕捉高速转动中风扇叶片的形变;如果能达到10000帧,该技术将有望在汽车冲撞试验,弹道测试分析等多个领域得到广泛应用。”

  值得一提的是,除快速三维扫描系统外,左超和他的研究生们还针对静态物体研发出了具有全自动拼接功能的三维扫描仪,物体经扫描仪全方位自动扫描并进行数据处理后,即可在计算机中形成物体的360°三维模型,整个过程所花时间不超过两分钟。将此模型送入到3D打印机,就可以打印出一个一模一样的立体塑像。这些之前在只能在电影里才能看到的技术,现在已变成了现实。

 一个小型光学投影装置、几只高速摄像机与计算机相连,当物体放置在这台成像系统前时,显示器上将展现的是该物体的实时三维影像。不仅如此,即便是人眼都无法捕获的高速运动中的物体,如正在下落的乒乓球、快速转动的电扇叶片,在此系统前都“无处遁形”,且所拍摄到的还是完完整整的三维数据。


图: 人脸实时三维成像结果


转载自中国光学光电子行业网
原文链接:http://www.coema.org.cn/oenews/product/20161027/150615.html