2月14日，清華大學電子工程系信息光電子所陳宏偉教授團隊以“Time-encoded single-pixel 3D imaging”為題，在《APL Photonics》上發表邀請論文，展示了發明的時間編碼單像素三維成像技術(TESP-3D)，該技術實現了目前國際上已知最快的三維成像速度。

“2020中國光學十大進展”候選推薦

三維成像，是未來成像發展的趨勢之一，目前還處于起步階段。由于當前的三維成像方法在成像速度方面受到了瓶頸限制，對高速運動的目標進行三維成像有很大的困難。目前主要的高速三維成像技術有兩種：被動成像和主動成像。被動成像的代表性技術是雙目視覺(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)從至少兩個不同的視角捕獲圖像，然后結合兩個圖像傳感器的位置，根據幾何關系測量原理計算出景深。主動成像則是使用一個有源投影儀代替立體視覺中的一個圖像傳感器，通過編碼光主動照明以識別物體表面上的每個點的立體信息。這種方法可縮減計算時間，同時重建精度也會得到改善，是目前主流的三維成像技術，IPhone手機上的深度攝像頭就是采用這種技術。但是，主動三維成像有兩個速度限制：主動照明光的編碼調制速度；圖像傳感器的刷新速度。這些限制意味著實際三維成像的速度很難超過1000幀/秒左右。

圖1 高速時間編碼投影技術

陳宏偉團隊針對主動三維成像的兩個速度限制都進行了改進。一方面，在主動照明成像系統中，照明光的調制主要使用液晶調制器(LCM)或數字微鏡陣列(DMD)來實現，速度被限制在幾十kHz以下。TESP-3D中采用了一種全新的時間編碼投影技術(圖1)，利用超快的時間編碼進行空間調制，突破了這個限制，可以把編碼調制速度提升至幾十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成，但陣列探測傳感器的刷新速度和數據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。而本技術中采用的是單像素探測技術，是用單一像素的成像單元來代替圖像傳感器，可以實現GHz以上的傳感速度。

圖2 TESP-3D系統架構

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

圖3 三維圖像重構過程

圖4 旋轉物體的高速三維成像結果

在未來，通過對照明系統的改動以及單像素重建的優化，TESP-3D技術還可以將進步提升速度，挑戰三維成像速度的極限。該技術可廣泛應用于高速三維動態捕捉、目標識別、工業監測等多個領域。

【視頻】TESP-3D原理動畫展示

【視頻】不同相機拍攝高速轉動物體的比較，包括iphone快速模式，紅外相機，TESP-3D

論文鏈接：

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

訪問光學前沿收看直播

END

歡迎爆料

新聞線索、各類投稿、觀點探討、故事趣事

留言/郵件，我來讓你/事紅

爆料請聯系：lvxuan@siom.ac.cn

點在看曬一曬知識儲備

寫留言

總結

以上是生活随笔為你收集整理的双目摄像头 三维坐标 python_时间编码单像素三维成像：挑战三维成像的速度极限...的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。