面向光照饱和溢出和多路径效应问题的高精度结构光三维成像研究

3D imaging is widely used in various applications of science and industry, and the detail-oriented high-definition 3D imaging needs to be further improved. In this work, first we will study the convolution and deconvolution models of point spread function (PSF) in the structured light intensity field; second, we will analyze the errors caused by the illumination saturation and multi-path effect and develop the corresponding models; and finally, based on those models, we will present a method for high-definition 3D imaging via adaptive high-dynamic-range structured light illumination. With the presented algorithm and off-the-shelf devices, higher accuracy of 3D reconstruction can be achieved. Our work will benefit the applications requiring high-definition 3D data, e.g. accurately recognizing 3D fingerprint, accurately detecting defects of products, accurately controlling driven by machine vision, etc.

三维成像在科研和工业等各种领域中的研究和应用都很广泛，但目前面向细节的高精度三维成像的方法,需要从根本上得到解决。本课题拟先研究结构光光强场中点扩散函数的卷积和反卷积模型，然后针对结构光三维成像技术中的长期以来两个影响细节精度的问题，也就是照明饱和溢出以及多路径效应，进行分析并建模，最后提出一种高精度的自适应高动态范围的结构光三维成像算法。该方法在使用市面通用设备的情况下，能够对目标细节进行更好的三维成像。本课题的完成将有助于众多需要高精度三维数据的应用领域，例如三维指纹的精确识别，产品质量缺陷的精确监测，和机器视觉驱动的精确自动控制等。

在结构光三维成像中，噪声和非线性等导致的误差，会随着扫描编码数量的增加而自动减小；然而，由多路径效应和光照饱和造成的误差，则不会随着编码数量的增加而自动得到抑制。本课题以结构光的多路径效应和光照饱和问题为中心，开展了一系列与之相关的研究，力图提高结构光三维成像在整体及细节方面的精度。研究内容及相关成果如下：结构光多路径效应问题的建模与分析；结构光光照饱和问题的建模与分析；不同场景下多路径效应和光照饱和问题的有利性研究；非三维重建下相位在三维场景中的应用；线结构光和周期性结构光的统一解码方法；一维自动扩展的结构光专用投影机设计、工业相机和商用投影机间同步电路设计；使用海量控制点的新结构光系统校准方法等。在以上研究内容的成果发表在各类型学术期刊和会议，包括12篇SCI期刊论文、5篇EI期刊论文、3篇EI会议论文、3篇中文核心论文等；同时获得授权发明专利13项、实用新型专利4项，实现专利实施许可1项1万元。培养硕士研究生12人毕业。