聚焦型光场成像技术研究及其在形貌测量中的应用

论文摘要

光学测量是光、机、电三者高度结合的高科技。最初的光学测量仅限于对光线的控制及追迹,采集的信息量低、系统效率低下。光学成像凭借其高速、精确、非接触等特点,其在测量领域中的应用颠覆了传统的光学测量技术,为光学测量带来了革命性的飞跃,现已被广泛地应用于工业、生物、医疗、军事等领域。基于光学成像的光学测量本质上是通过成像系统采集目标的图片,并应用计算机技术在其中提取目标形貌信息的过程。因此,获取目标图像、提升采集图像质量并提高与目标的相似度是光学成像测量的关键。光学成像按照目标图像的获取方式可分为传统成像及光场/计算成像两大类。对于传统成像系统,其核心部件为镜头及面阵探测器,设计、加工、装调完成后结构很难改变,成像过程为物方场景的简单复制,信息量单一,丢失了大量有效信息。相比之下,光场成像系统并无固定结构,各部件间可互相调节,系统设计的整体思路不再是获得一个具有高分辨率的二维图像信号,而是仅采集图像理解算法需要收集的信息,实现“从二维到信息”的跨越。区别于传统成像技术,光场成像技术作为一种新兴的光学成像手段,通过对光场空域和时域参数的调控,可以有效地调制光信号的时序、相位、振幅、波前、色散等各项特性,从而获得传统成像系统无法获取的编码光场或高时空分辨率的光学图像。使用获取的高维或编码的光场信息,可以计算重构物方空间如深度、角度、轮廓等各种物理量,这必定会拓宽光学成像系统的适用场景进而更好地应用于光学测量中。然而,现有基于图像的光学测量大多基于传统成像技术,随着科学技术的不断发展,在某些物理量测量中,现有的光学测量已不能够满足人类探索未知世界的要求。且现今的科学研究往往需要在深海等极其恶劣的环境中对目标的形貌进行探测,在极暗或高浑浊度环境中传统成像技术将无法获取目标信息;此外,传统光学系统视场有限,处在视场外的目标信息将会丢失,大幅降低测量范围及精度;另外,单个传统成像系统无法实现对立体目标三维信息量的采集,需要至少两套系统相互配合,这就造成复杂程度较高,标定校准困难。针对上述问题并结合实践经验,本文系统地研究了压缩感知单像素成像技术、压缩感知计算重构、距离选通、数字重聚焦、深度面图像及焦点堆栈计算重构、深度图计算等多个关键技术,提出了一系列基于聚焦型光场成像技术的二维及三维目标重构解决方案,有效地解决了包括却不限于以上列出的传统测量技术存在的各项问题。文中的主要内容概括如下:(1)首先,针对单像素成像中计算重构这一关键性问题,提出了一种依托于压缩感知的高速、高准确度的重构方法,为之后的系统应用提供了有力的理论支撑。对于透射式及反射式二维目标成像,给出了相应的主动模式单像素成像模型,基于成像模型搭建了对应的主动式单像素探测系统,利用获取的离散采样值实现了二维目标的计算重构。在目标成功重构的基础上,详细的分析了影响系统重构质量的系统及环境因素。在系统因素方面主要探讨了单像素探测器有效像元面积、微反射镜阵列配置、采样次数及观测图样类型对系统重构质量的影响,并提出了有针对性的解决方案。对于环境因素的分析,引入了激光回波方程及介质透过率方程,通过理论和实验两个维度分析了介质浑浊度、目标距离及环境温度对系统性能的影响。在对环境因素分析的过程中发现该成像系统可在高浑浊度、宽工作温度范围下对目标进行采样探测,具有超高的噪声及温度容忍度。为进一步说明单像素光场成像技术的优势,搭建了与之对比的传统成像系统,对不同浑浊度水体中目标重构质量进行了对比。(2)其次,围绕处于非视距环境中的二维目标探测问题展开被动模式单像素成像技术的理论及系统搭建研究。考虑遮挡目标的特殊性,为抑制杂散光对整个系统的影响,设计了基于距离选通的同步控制系统,对各仪器之间的逻辑激发关系进行了详实的介绍。基于以上研究,搭建了适用于遮挡目标探测的单像素系统,利用系统采集的稀疏信号,实现了对置于视线以外二维反射式目标的探测及重构。实验中发现激光脉冲在目标表面反射时会出现比较强烈的各向异性反射,对整个系统的性能产生影响。因此,基于上一部分激光回波方程进行了进一步推导,得出了含有目标表面特性的激光回波方程,通过大量像质对比实验分析所得方程的正确性。此外,搭建了基于传统成像系统的遮挡目标探测系统并对探测结果进行比对分析。(3)最后,在两种类型二维目标不同环境中探测研究的基础上,针对目标三维信息中深度面图像获取这一关键性问题分两个部分进行研究,分别为基于透镜阵列的四维光场处理和单像素成像的目标探测。基于微透镜阵列光场成像单次采集即可获取物方空间四维光场信息的性质,结合焦点堆栈模型及切片投影定理,提出了一种滤波反向投影算法,该算法可以在短时间内高质量的通过四维光场信息获取焦点堆栈,同时对四维光场信息的视角重构进行了理论分析。在理论分析的基础上,搭建了基于微透镜阵列的光场采集系统,通过对所采集的四维光场图像进行焦点堆栈重构及视角变换,对本文提出的算法进行验证。此外,结合主动式单像素及时间飞行原理,提出了一种新型的三维目标单像素成像探测方法,建立了探测模型并搭建了实验系统对三维目标进行探测。本文以光场成像为主线,通过从二维到三维、从暴露到遮挡、从算法到实验三个维度将光场成像中的关键理论及现实应用展开了全面细致的研究,对光场成像技术的发展起到了良好的促进作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 聚焦型光场成像技术研究现状及分析
•     1.2.1 汇聚式单像素成像
•     1.2.2 微透镜阵列光场成像
•     1.2.3 压缩感知
•   1.3 形貌测量研究现状及分析
•     1.3.1 二维目标
•     1.3.2 三维目标
•   1.4 本文主要研究内容及结构安排
•   1.5 本章小结
• 第2章 聚焦型光场成像原理及压缩感知理论
•   2.1 基于单像素探测器的光场成像
•     2.1.1 主动模式单像素成像
•     2.1.2 被动模式单像素成像
•     2.1.3 单像素光场系统优劣势分析
•   2.2 基于微透镜阵列的光场成像
•     2.2.1 非聚焦式光场成像
•     2.2.2 聚焦式光场成像
•     2.2.3 聚焦与非聚焦成像模式对比
•   2.3 压缩感知理论
•     2.3.1 压缩感知理论基础
•     2.3.2 信号稀疏表示
•     2.3.3 压缩感知应用
•   2.4 本章小结
• 第3章 基于压缩感知的主动模式单像素二维目标探测
•   3.1 系统重构算法构建
•     3.1.1 图像信号稀疏表示
•     3.1.2 测量矩阵构造
•     3.1.3 图像信号压缩编码测量
•     3.1.4 图像信号重构
•   3.2 透射式二维目标探测
•     3.2.1 测量模型建立
•     3.2.2 系统组成及仪器说明
•     3.2.3 系统工作流程介绍
•     3.2.4 实验结果分析
•   3.3 反射式二维目标探测
•     3.3.1 测量模型建立
•     3.3.2 系统组成介绍
•     3.3.3 实验结果分析
•   3.4 影响系统重构质量因素分析
•     3.4.1 系统因素分析
•     3.4.2 环境因素分析
•   3.5 传统成像与单像素成像对比实验
•   3.6 本章小结
• 第4章 非视距环境中基于压缩感知的被动模式单像素二维目标探测
•   4.1 距离选通技术原理
•   4.2 系统设计及验证
•     4.2.1 系统搭建介绍
•     4.2.2 实验结果分析
•   4.3 目标反射特性对探测性能影响分析
•     4.3.1 基于目标表面反射特性的激光回波方程推导
•     4.3.2 探测目标材质实验与分析
•     4.3.3 探测目标表面颜色实验与分析
•     4.3.4 探测目标表面粗糙度实验与分析
•   4.4 传统成像系统与单像素成像系统比较
•     4.4.1 传统成像系统介绍
•     4.4.2 对比实验结果分析
•   4.5 本章小结
• 第5章 基于聚焦型光场成像技术的三维目标探测
•   5.1 基于微透镜阵列的四维光场信息处理研究及三维目标探测
•     5.1.1 焦点堆栈重构
•     5.1.2 焦点堆栈重构实验与分析
•     5.1.3 视角变换研究
•   5.2 基于单像素成像技术的三维目标探测
•     5.2.1 深度面图像获取
•     5.2.2 深度图重构及质量评价
•   5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 主要研究工作总结
•   6.2 论文主要创新点
•   6.3 存在的不足与进一步工作展望
• 参考文献
• 附录 A 光场重构算法代码
• 附录 B DMD与 DAQ同步程序
• 附录 C 部分符号及名词解释
• 附录 D 攻读博士学位期间发表的论文和专利
• 附录 E 攻读博士学位期间参加的科研项目及获奖情况
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈琦

导师: 姜肇国

关键词: 光场,单像素成像,压缩感知,微透镜阵列,目标重构,光衰减

来源: 长春理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,计算机软件及计算机应用

单位: 长春理工大学

分类号: O432.2;TP391.41

DOI: 10.26977/d.cnki.gccgc.2019.000003

总页数: 160

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