高速动态孔径编码三维计算成像技术研究

For meeting future requirement of the sharpness, high-speed, 3D images, this research proposes a new 3D imaging technology which is High-speed Dynamic Aperture-coded 3D Imaging. This technology combines with the digital image processing technique to capture the target section and the target depth. These recorded coded images of targets have some correlation properties which can be realized before the images recording. These correlation properties between the recorded images can be used to reconstruct 3D scene. The contents include: (1) theory of High-speed Dynamic Aperture-coded 3D Imaging, (2) production technique of high-speed dynamic complex field, (3) 3D reconstruction of aperture-coded images, and (4) experimental demonstrate. The research method of how to obtain the section and depth data of targets based on the dynamic aperture-coded approach is proposed. The optimized method of coded functions is studied. The technique of dynamic complex field generating and the 3D reconstruction technique from the section and depth images are studied. Three scientific problems, including the design and optimization of coded functions, the production of high-speed dynamic complex field and correlation properties between the recorded images, are solved. The experimental systems are constructed to demonstrate our concept. This research will provide a new approach to detect the 3D targets.

面向未来对高清晰度、高速三维图像信息的需求，提出了新的三维成像技术—高速动态孔径编码三维成像技术。三维成像技术联合数字图像处理技术，基于获取的分层和深度序列图像的关联信息，在使用孔径编码主动获取序列图像间差异的基础上，重构三维目标信息，是原创性的三维成像概念。研究内容包括：（1）动态孔径编码三维成像机理研究。（2）高速动态复数场生成技术研究；（3）孔径编码图像三维重构技术研究。（4）三维成像实验验证及应用研究。研究以三维成像为出发点，在揭示孔径编码三维成像机理的基础上，分析孔径编码系统图像特征，提出使用动态孔径编码技术获取目标分层信息和深度信息的编码方案。发展高效的编码函数优化方法，建立满足三维目标信息获取的编码函数优化模型。解决编码函数设计及优化、高速动态复数场生成和分层及深度序列图像关联特征三个科学问题。搭建高速动态孔径编码三维计算成像实验系统，为三维目标信息获取提供一种新的技术途径。

本项目为国家自然科学基金面上项目，题为“高速动态孔径编码三维计算成像技术研究”，资助金额为52万元，项目起止时间为2017年01月至2020年12月。.项目研究以面向未来对高清晰度、高速三维图像信息的需求为背景，联合三维成像技术和数字图像处理技术，采用波前编码的方式进行远距离目标的被动三维成像。研究内容包括：（1）基于手性相位板波前编码三维成像机理研究；（2）基于Fisher信息的相位板优化设计研究；（3）原理性实验验证；（4）解码过程图像三维重建算法研究；（5）波前编码成像系统实验研究。. 研究发现：.（1）不同于传统相位板面型，手性相位板随离焦变化更明显，相对更适用于三维成像系统，可根据离焦引起的图像变化解码提取距离信息；.（2）可使用Fisher信息理论在有限孔径条件下对相位板设计进行优化，使系统具有最优的测距和三维成像精度；.（3）原理性实验验证过程中发现此编码方式可以高精度完成被动三维成像，但叠加成像会对图像处理过程产生干扰，自相关算法不利于三维重建； .（4）通过快门交替遮挡手性相位板采集不同相位掩模下的图像，可提高快照式被动三维计算成像精度与效果，对快速亚像素互相关配准算法、双目视觉算法与基于特征识别的距离提取算法研究，实现了远距离目标波前编码三维计算成像；. 研究波前编码系统对离焦量大小的敏感性、手性相位板的设计与优化增强了波前编码技术的理论基础，可对波前编码技术的广泛应用奠定基础，为三维计算成像提供了新思路。解码图像三维重建算法的研究为手性波前编码三维计算成像技术提供了多种重建方法，均具有一定优势。研究高速动态孔径编码三维计算成像技术，对三维成像系统的发展具有深远的理论意义。