计算成像是融合了光学设计、光学传感和图像处理的新兴技术领域，突破了传统成像技术获取信息的深度和广度限制，成为国际研究热点，是先进光学成像技术的重要发展方向。综合国内外文献和相关报道，以计算成像在信息复原及信息增强应用场景的技术发展为主线，结合新方法、新算法探讨各个子领域的主要进展，介绍端到端相机成像优化模型、衍射光学模型及基于可微光线追踪的复杂透镜模型等。近年来，无论是光学系统硬件加工还是图像处理算法都有着惊人的发展速度，多样化系统结构和先进算法的结合为计算成像提供了强大的发展动力，从人脸识别到物体检测，计算成像技术广泛涵盖了安防监控、医疗诊断、零售和娱乐等众多领域，相信未来也会在更多科学应用领域看到它的价值。
计算成像 全链路 光信息编解码 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211033
结构光三维测量技术由于精度高、非接触等优点在传统制造业中得到了广泛的关注和应用。智能制造、人工智能等新兴领域的高速发展对如何高效获取高精度三维数据源提出了更高的要求。应用于三维测量系统的相位误差补偿技术作为实现高精度结构光测量方法的重要步骤，对测量结果的获取精度和效率起着关键性作用。首先简要介绍相移测量轮廓术的基本原理和不同误差来源导致的相位误差形式，随后分类讨论各个误差类型的补偿方法、优化方向及适用场景，最后总结基于相移条纹分析的相位误差补偿技术所面临的挑战及潜在的发展趋势。
三维重建 结构光照明 条纹投影 相移条纹分析 相位误差补偿 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211008
1 四川大学电子信息学院，四川 成都 610065
2 西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500
针对扩展卡尔曼滤波算法在摄像机标定优化应用中，滤波精度较大程度地依赖于噪声协方差矩阵的准确性这一问题，提出了一种基于自适应扩展卡尔曼滤波算法的摄像机标定优化方法。以所检测到的二维棋盘格标靶上特征点的图像坐标作为自适应扩展卡尔曼滤波算法的观测量，摄像机的内、外参数作为状态量，将观测图像上的特征点进行逐点滤波运算，过程和观测噪声协方差矩阵在迭代过程中随着观测值和预测值之间新息的变化而更新，从而优化对应的摄像机参数。实验结果表明，经本文算法优化后获得的摄像机内、外参数具有较小的重投影误差，USB相机和工业相机的标定结果较张正友标定法分别提升了61.17%和12.17%，所提算法较无迹卡尔曼滤波算法和扩展卡尔曼滤波算法在噪声环境下具有更高的标定精度和更好的鲁棒性。
机器视觉 摄像机标定 扩展卡尔曼滤波 新息 自适应 重投影误差 光学学报
2023, 43(23): 2315002
条纹投影轮廓术期望被测表面反射率足够均匀以保证形貌测量精度，而数字图像相关技术则期望被测表面能够提供高对比度的纹理信息来确保图像匹配准确性和形变计算精度，二者对表面的纹理需求存在矛盾。针对这一矛盾，提出基于RGB模型的标记点纹理消隐与提取方法，通过计算特定的消隐系数与提取系数，同时提取高质量的条纹图案和纹理图案分别用于后续形貌和形变测量。实验结果表明，相较于已有方法，所提方法可以解决条纹投影轮廓术和数字图像相关技术对纹理要求的矛盾性问题，同时实现高精度的三维形貌和形变测量。
测量 条纹投影轮廓术 三维形貌测量 数字图像相关 三维形变测量 光学学报
2023, 43(11): 1112001
在虚拟现实和增强现实、智能制造检测、材料性能测试等需要对动态场景进行三维建模、对动态过程进行深入分析的领域中，高速三维面形测量技术具有重要的科学研究意义和广泛的应用价值。随着高速动态场景测量需求的日趋增长和测量硬件设备的迅速发展，相应领域的研究热点逐渐从简单静态场景的三维测量转移到复杂动态场景的测量中。以测量任务需求为主线，综述基于条纹投影的高速三维测量技术在硬件和算法上的研究进展，随后分类比较已有技术各自的优缺点，给出不同测量任务下的方法选择建议，最后总结基于条纹投影的高速三维形貌测量技术所面临的挑战和潜在发展动向。
三维测量 条纹投影 动态三维测量 高速三维重建 激光与光电子学进展
2023, 60(8): 0811001
激光与光电子学进展
2023, 60(8): 0800001
Author Affiliations
Abstract
1 School of Sciences, Southwest Petroleum University, Nanchong 637001, China
2 Institute of Optoelectronic Technology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China
3 School of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China
Usually, a multilens optical system is composed of multiple undetectable sublenses. Wavefront of a multilens optical system cannot be measured when classical transmitted phase measuring deflectometry (PMD) is used. In this study, a wavefront measuring method for an optical system with multiple optics is presented based on PMD. A paraxial plane is used to represent the test multilens optical system. We introduce the calibration strategy and mathematical deduction of gradient equations. Systematic errors are suppressed with an N-rotation test. Simulations have been performed to demonstrate our method. The results showing the use of our method in multilens optical systems, such as the collimator and single-lens reflex camera lenses show that the measurement accuracy is comparable with those of interferometric tests.
phase measuring deflectometry wavefront measurement systematic errors calibration Chinese Optics Letters
2023, 21(4): 041201
数字光投影仪（DLP）已被广泛使用在条纹投影三维测量领域，投影条纹图的比特位深以8 bit居多，限制了可投影图案的数目与速率，也局限了三维重建的可用算法且造成相机速率冗余。为解决该问题，提出一种灵活使用比特位深的条纹投影方法，研究了不同比特数条纹图案的生成与投影方式，分析了比特数降低对条纹投影测量的影响，并总结了不同比特数下对应适用的编码测量方法和应用场景。实验从测量精度、抗噪性和抗运动模糊能力3个方面着重对比了8 bit和6 bit条纹投影方法的测量性能，证明了6 bit条纹投影方法具有编码方式灵活和重建速率快的优势。对比了6 bit和1 bit条纹投影方法的测量深度范围，发现6 bit条纹投影方法是一种高鲁棒、大景深的低速动态三维测量方案。该方法有效拓展了条纹投影方法的灵活性，充分利用了相机的冗余速率，扩大了对应三维重建可选择算法的范围，可适用于更多的基于条纹投影的三维测量系统。
测量 条纹投影轮廓术 比特位深 DLP投影仪
为了使用高频条纹实现对物体三维形貌高精度快速测量, 提出了一种利用双频外差和时空相位展开实现三维测量的方法。该方法仅投影两套高频条纹图片, 利用双频外差方法计算出一个频率较低的截断相位分布, 经空间相位展开得到其对应的连续相位, 用于指导高频条纹截断相位展开, 获得三维重建需要的绝对相位分布。该方法对双频外差后的低频截断相位上进行空间相位展开, 降低了空间相位展开难度, 增加了双频条纹投影三维测量的适用范围。实验结果表明该方法的STD误差为0.06 mm。该方法利用两套高频正弦条纹、不增加投影第三个频率条纹图的情况下, 实现了高精度快速三维形貌测量。
三维形貌测量 条纹投影 相位展开 双频外差 空间相位展开 3D shape measurement fringe projection phase unwrapping dual-frequency heterodyne Spatial-temporal phase unwrapping
