1 云南师范大学物理与电子信息学院，云南 昆明 650500
2 云南省光电信息技术重点实验室，云南 昆明 650500
构建了一种基于自监督的框架，该框架从单目立体内窥镜视频中提取多视图图像，利用图像中的底层三维（3D）信息构建对象的几何约束，实现软组织结构的准确重建。基于分割任意场景模型对内窥镜下的动态手术器械、静态腹腔场景及可形变软组织结构进行分割解耦。该框架利用简单的神经网络多层感知机来表示动态神经辐射场（NeRF）中运动手术器械和形变软组织结构，基于偏斜熵损失对手术场景中的手术器械、腔体场景和软组织结构进行正确分离。在通过使用单目立体内窥镜捕获机器人手术模拟器场景的数据集上，将所提方法的结果与其他方法进行定量定性比较。结果表明本文方法在处理腹腔体场景、软组织结构重建、手术器械的分割解耦，以及来自多视点的3D信息和运动对象的图像分割等方面显著优于当前的方法。
视觉光学 神经辐射场 软组织三维重建 分割任意场景模型 分割解耦
河南工业大学信息科学与工程学院，河南 郑州 450001
相移轮廓术由于其高测量精度和高鲁棒性已广泛应用于各个领域。然而，由于需投射多幅条纹图到物体表面，因此要求物体在测量过程中保持静止。另一方面，当重建高反光运动物体时，不仅出现过曝光现象，过曝光位置还将随着物体运动而变化，对测量提出了挑战。基于此，提出一种测量高反光运动物体的算法。过曝光位置随着物体运动变化意味着并非所有条纹图都存在过曝光。首先，投射双频率条纹图到运动物体表面并拍摄。其次，识别所有条纹图中的过曝光区域，并记录物体上每一点的非过曝光条纹图。再次，基于非等间隔相移的非过曝光条纹图进行相位提取，获得双频率相位分布。最后，对双频率相位分布进行运动补偿，并基于双频率解包裹算法实现正确解包裹，完成高反光运动物体三维重构。实验结果表明，该算法能有效减小高反光运动物体引起的测量误差，具有较高的工业应用价值。
条纹分析 三维重构 相移轮廓术 高动态范围 过曝光 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0412005
Author Affiliations
Abstract
1 Laboratory for Spin Photonics, School of Physics and Electronics, Hunan University, Changsha 410082, China
2 School of Physics and Chemistry, Hunan First Normal University, Changsha 410205, China
Object identification and three-dimensional reconstruction techniques are always attractive research interests in machine vision, virtual reality, augmented reality, and biomedical engineering. Optical computing metasurface, as a two-dimensional artificial design component, has displayed the supernormal character of controlling phase, amplitude, polarization, and frequency distributions of the light beam, capable of performing mathematical operations on the input light field. Here, we propose and demonstrate an all-optical object identification technique based on optical computing metasurface, and apply it to 3D reconstruction. Unlike traditional mechanisms, this scheme reduces memory consumption in the processing of the contour surface extraction. The identification and reconstruction of experimental results from high-contrast and low-contrast objects agree well with the real objects. The exploration of the all-optical object identification and 3D reconstruction techniques provides potential applications of high efficiencies, low consumption, and compact systems.
object identification three-dimensional reconstruction optical computing metasurface Opto-Electronic Advances
2023, 6(12): 230120
1 常熟理工学院机械工程学院，江苏 常熟215500
2 燕山大学机械工程学院，河北 秦皇岛 066004
3 东风越野车有限公司，湖北 十堰 442000
为定量预测不同工艺参数下316L不锈钢粉末激光选区熔化（SLM）成形熔道形貌并完成其单层多熔道形貌重构，首先对SLM成形熔道的过程进行了模拟，接着完成了SLM成形单熔道实验，得到了工艺参数与熔道宽度及其标准差系数之间的关系，并建立了单熔道截面轮廓数学模型，在此基础上完成了接近真实轮廓的单层多道轮廓三维模型重构。研究结果表明：当激光功率恒为200 W时，随着扫描速度从1.0 m·s-1增大到2.0 m·s-1时，熔道宽度从69.82 μm减小到46.65 μm，熔道宽度标准差系数从9.84%增大到22.65%；当扫描速度恒为1.3 m·s-1时，随着激光功率从100 W增大到300 W，熔道宽度增加到69.64 μm后开始减小，熔道宽度标准差系数减小到13.11%后开始增大；同一线能量密度下得到的熔道宽度值的变化正常，但熔道宽度标准差系数在12.26%到22.65%之间波动；当激光功率约为200 W、扫描速度约为1.0 m·s-1时，成形的单道熔道宽度均匀，标准差系数低于15%，熔道质量较好。
激光技术 激光选区熔化 熔道宽度 标准差系数 单层多道 熔道三维重构 中国激光
2023, 50(24): 2402307
1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 北京理工大学光电学院，北京 100081
人的面部结构信息具有非常高的独特性，通过对人脸进行三维测量和重建，所得数据可以用于人脸识别、医学整形等用途。利用结构光投影技术，通过投射特定编码的近红外光栅条纹到人脸上，解算得到人脸的三维形貌。同时根据二维纹理图像进行人脸特征点的检测与识别，获取人脸关键特征点的分布。最后结合二维分布的特征点和三维的点云信息，实现对人脸关键特征信息的准确获取与理解，为未来三维人脸检测的应用，如医学医疗、人脸识别检测、虚拟人类的数据输入等提供参考。
结构光 三维重建 人脸特征检测 近红外条纹 激光与光电子学进展
2023, 60(22): 2211004
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
2 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室，天津 300072
在功能性近红外光谱（fNIRS）成像技术的实现中，扩散光学层析成像（DOT）具有改善定量性和分辨率的巨大潜力，但其效果受制于生理干扰（呼吸、心跳和低频振荡等）、检测系统的随机噪声以及有限测量数据量带来的不适定性。为增强fNIRS-DOT成像的性能，本文提出了一种基于模型先验信息的深度卷积编解码网络重建方法，利用分层半三维重建算法实现对表层和深层脑血氧变化信息的初步区分，发挥卷积、编解码网络对空间特征的学习能力，实现对深层脑激活信息的提取重建。为验证所提重建方法的有效性，开展了数值模拟和仿体实验，并将其与传统重建方法进行对比。结果表明，所提重建法不仅可以显著提高重建精度，极大地缩短重建时间，而且具有优异的泛化能力，为实现动态fNIRS成像提供了重要参考。
生物光学 功能性近红外光谱成像 分层半三维重建 深度卷积编解码网络 中国激光
2023, 50(21): 2107107
1 厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建 厦门 361024
2 福建省绿色智能清洗技术与装备重点实验室，福建 厦门 361024
3 厦门大学航空航天学院，福建 厦门 361005
线激光扫描技术多用于零件的表面检测，也可用于物体的三维重建。许多浮雕工艺品由于没有数字模型而无法复现，可利用线激光扫描将浮雕逆向生成三维模型，便于浮雕工艺品的加工。通过结合机器人与线激光，获取浮雕的点云数据，逆向建立浮雕的三维数字模型。搭建三维重建系统，根据实际模型的尺寸计算出机器人的扫描路径，机器人结合线激光扫描得到浮雕点云数据；进行点云数据的预处理，再根据基准平面，补偿带有机器人误差的点云数据；利用基于衍生的迭代最近点（GICP）算法进行点云的自动拼接，并对点云进行后处理；随后利用Delaunay三角剖分算法与曲面重建算法进行三维模型的重建。以老鹰浮雕为重建对象进行实验，实验结果表明用路径扫描拼接的点云处理更为方便，补偿数据后，精度可提高40.48%，有显著补偿效果，浮雕模型重建后与基准模型的标准差平均为0.0576 mm，可满足浮雕模型的重建需求。
线激光扫描 机器人控制 误差补偿 三维重建 浮雕 激光与光电子学进展
2023, 60(22): 2211007
在惯性约束聚变过程中，冲击波速度与靶丸内爆压缩对称性密切相关，任意反射面速度干涉仪（VISAR）与压缩超快成像（CUP）系统的结合（CUP-VISAR）为冲击波速度二维时变诊断开辟了新思路。针对系统重建耗时长的问题，提出并实现了一种针对CUP-VISAR系统的全变分正则化快速重建算法。对弯曲条纹的仿真重建分析结果表明，本文提出的TVAL3H算法对比传统TVAL3算法，峰值信噪比（PSNR）提升了6.86 dB（25 frame）~1.20 dB（150 frame），结构相似性（SSIM）提升了26.67%（25 frame）~14.10%（150 frame），时间消耗降低了92.15%（25 frame）~78.30%（150 frame）。对比广义交替投影（GAP）和交替方向乘子（ADMM）算法，时间消耗降低了57.79%（100 frame，GAP）~77.20%（25 frame，ADMM）的同时PSNR和SSIM差异较小。在同一重构时间量级下，所建立重构算法不同frame条件的PSNR相比GAP与ADMM算法分别提高了1.92 dB（25 frame）~0.84 dB（150 frame）及1.85 dB（25 frame）~0.80 dB（150 frame）；SSIM相比GAP与ADMM算法分别提高了9.23%（25 frame）~4.48%（150 frame）及8.85%（25 frame）~4.46%（150 frame）。
衍射与光栅 压缩超快成像 全变分正则项约束 冲击波诊断 三维重建 哈达玛乘积 光学学报
2023, 43(19): 1911003
长春理工大学光电工程学院光电检测与图像模拟及识别实验室，吉林 长春 130013
针对表面网格重建算法难以得到较好的纹理细节这一问题，提出一种融合自阴影重建（SFS）的表面网格优化算法。以表面网格模型作为初值。然后将该网格顶点投影至可视影像上获得其对应的SFS深度值。进而使用光度一致性约束算法融合SFS约束算法作为数据项、模型自身的曲率约束算法作为平滑项，共同组成网格顶点优化能量函数。最后通过梯度下降法最小化能量对网格顶点进行调整，达到优化网格模型的目的。所提算法在DTU数据集中，相比输入的网格模型精度提高了14.5%，相比现有主流表面网格优化模型算法精度提高了1.12%。实验结果表明，所提算法可以有效修正表面网格模型的纹理细节、提高网格模型精度，从而改善重建模型效果。
图像处理 测量 三维重建 网格优化 自阴影重建 激光与光电子学进展
2023, 60(20): 2010002
