基于贝塞尔条纹编码的大景深结构光场三维成像技术研究

As a way of capturing three-dimensional information, structured light 3D imaging technique can be significantly applied in the fields of virtual reality, Internet, intelligent manufacturing, etc. Up to now, the microscopic structured light 3D imaging system for small objects measurement is limited by the small depth of field (DOF). This project proposes a new structured light 3D imaging method to extend the DOF. Combined the large DOF illumination of Bessel beam with the large DOF detection of light field recording, this limitation can be solved completely. The main research contents include: 1) the study of Bessel encoding mechanism, generation device, and the coding optimization design to generate high quality code illumination; 2) the calibration theory and technique of structured light field system by using the ray model with a standard sphere as reference target, in order to improving the light field imaging accuracy; 3) the establishment of mapping from Bessel structured coding to 3D coordinate, and the high dynamic 3D data integration reconstructed in multi-direction of structured light field. Based on the above research, a complete theoretical scheme system for 3D Bessel structrued light field imaging with large DOF can be developed. In this case, a 3D microscopic optical imaging system will be constructed to realize the efficient 3D information acquisition of small objects. Meanwhile, this research can provide a scientific method and basis for the structured light 3D imaging technique.

结构光三维成像技术作为三维信息的重要来源，在虚拟现实、互联网、智能制造等领域具有重要应用价值。而针对小尺寸物体的显微结构光三维成像技术一直遭受景深小问题的限制。本项目提出一种大景深的新型结构光三维成像手段。基于贝塞尔光束获取大景深结构编码照明，配合结构编码的光场记录实现大景深探测，从照明和探测两方面同时入手解决该问题。项目主要研究内容包括：1）贝塞尔结构照明编码机理、装置、及编码优化设计方法，以产生高质量编码照明；2）基于光线模型、标准球为基准、畸变条件下的结构光场成像系统标定理论，以提升光场成像精度；3）建立贝塞尔结构编码与光场三维坐标映射关联，并结合光场多方向记录特点，实现高动态三维数据融合。基于以上研究，发展出完整的大景深贝塞尔结构光场成像理论方案体系，并以此构造显微结构光三维成像系统，实现小尺寸物体的高效三维信息获取。项目同时为结构光三维成像提供一种有借鉴价值的科学方法与依据。

本项目构建出一整套基于贝塞尔结构编码、条纹相位编码、激光MEMS等景深扩展照明与光场成像的大景深三维信息获取的理论方法。攻克了大景深高效的条纹编码照明、主透镜和微透镜畸变的光场成像系统标定、结构编码与三维坐标参数估计等问题。在条纹编码照明方面，提出了贝塞尔条纹编码的深度估计方法，具有景深扩展和自愈特性；提出了无需额外时序编码的相位展开方法，将投影条纹数量减少1倍，提升了效率；提出了基于深度学习的相移非线性误差修正方法，只需3步相移即可精确提取相位。在结构光场成像系统标定方法，提出了基于光线模型的光场相机标定、无透镜MEMS激光投影标定、大畸变镜头系统标定、散射编码光场成像标定等一系列标定策略，真正系统解决了一系列特殊成像系统的标定困难。在结构光场三维重建方面，提出了相位编码结构光场深度映射、非聚集全光相机光场三维测量、单帧结构光场三维成像、结构光扫描单像素三维成像等一系列三维重建方法，并构建了单轴MEMS高速三维测量系统、同轴结构光场三维成像系统，实现了大景深的三维高精度测量。该项目产出论文16篇，其中SCI检索14篇，申请发明专利8项，其中授权1项；获广东省科技进步奖二等奖1项、深圳市科技进步奖二等奖1项、中国仪器仪表学会科学技术发明奖二等奖1项，部分研究成果在PCB电路焊点检测等领域开展应用推广。