2月14日，清華大學(xué)電子工程系信息光電子所陳宏偉教授團(tuán)隊(duì)以“Time-encoded single-pixel 3D imaging”為題，在《APL Photonics》上發(fā)表邀請論文，展示了發(fā)明的時(shí)間編碼單像素三維成像技術(shù)(TESP-3D)，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了目前國際上已知最快的三維成像速度。

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三維成像，是未來成像發(fā)展的趨勢之一，目前還處于起步階段。由于當(dāng)前的三維成像方法在成像速度方面受到了瓶頸限制，對高速運(yùn)動的目標(biāo)進(jìn)行三維成像有很大的困難。目前主要的高速三維成像技術(shù)有兩種：被動成像和主動成像。被動成像的代表性技術(shù)是雙目視覺(或稱立體視覺)，即效仿生物的雙眼視物原理，利用圖像傳感器(CCD或CMOS)從至少兩個(gè)不同的視角捕獲圖像，然后結(jié)合兩個(gè)圖像傳感器的位置，根據(jù)幾何關(guān)系測量原理計(jì)算出景深。主動成像則是使用一個(gè)有源投影儀代替立體視覺中的一個(gè)圖像傳感器，通過編碼光主動照明以識別物體表面上的每個(gè)點(diǎn)的立體信息。這種方法可縮減計(jì)算時(shí)間，同時(shí)重建精度也會得到改善，是目前主流的三維成像技術(shù)，IPhone手機(jī)上的深度攝像頭就是采用這種技術(shù)。但是，主動三維成像有兩個(gè)速度限制：主動照明光的編碼調(diào)制速度；圖像傳感器的刷新速度。這些限制意味著實(shí)際三維成像的速度很難超過1000幀/秒左右。

圖1 高速時(shí)間編碼投影技術(shù)

陳宏偉團(tuán)隊(duì)針對主動三維成像的兩個(gè)速度限制都進(jìn)行了改進(jìn)。一方面，在主動照明成像系統(tǒng)中，照明光的調(diào)制主要使用液晶調(diào)制器(LCM)或數(shù)字微鏡陣列(DMD)來實(shí)現(xiàn)，速度被限制在幾十kHz以下。TESP-3D中采用了一種全新的時(shí)間編碼投影技術(shù)(圖1)，利用超快的時(shí)間編碼進(jìn)行空間調(diào)制，突破了這個(gè)限制，可以把編碼調(diào)制速度提升至幾十MHz甚至更高，比目前速度最快的DMD器件快了1000倍以上。

另外一方面，面陣圖像傳感器由二維探測陣列構(gòu)成，但陣列探測傳感器的刷新速度和數(shù)據(jù)讀出速度都限制了成像的幀率，常用的圖像傳感器的成像速度通常在1kHz以下。而本技術(shù)中采用的是單像素探測技術(shù)，是用單一像素的成像單元來代替圖像傳感器，可以實(shí)現(xiàn)GHz以上的傳感速度。

圖2 TESP-3D系統(tǒng)架構(gòu)

TESP-3D是一種新型的高速掃描三維成像系統(tǒng)，硬件上主要包括一個(gè)高速時(shí)間編碼投影裝置(TEP)和多個(gè)單像素探測器(圖2)，并不需要高精度大規(guī)模的CCD探測陣列。在圖像獲取和恢復(fù)上，運(yùn)用了壓縮感知技術(shù)——單像素記錄著物體反射的光的大量而連續(xù)的測量值，由于照射的光隨機(jī)變化，這些測量值看上去也是隨機(jī)的。不過，這些隨機(jī)的測量值又相互關(guān)聯(lián)，這種相關(guān)性正是圖像本身。通過對隨機(jī)測量值的算法處理，重構(gòu)物體的一維、二維以致三維圖像(圖3)，使得三維成像的速度達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的500000幀/秒，時(shí)間分辨率達(dá)到2μs，空間分辨率小于1mm(圖4)。

圖3 三維圖像重構(gòu)過程

圖4 旋轉(zhuǎn)物體的高速三維成像結(jié)果

在未來，通過對照明系統(tǒng)的改動以及單像素重建的優(yōu)化，TESP-3D技術(shù)還可以將進(jìn)步提升速度，挑戰(zhàn)三維成像速度的極限。該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于高速三維動態(tài)捕捉、目標(biāo)識別、工業(yè)監(jiān)測等多個(gè)領(lǐng)域。

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論文鏈接：

https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5139924

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