光度立体三维（3D）重建是机器视觉和光度学领域中研究的热点问题，由于设备简单、成本低廉、分辨率高，得到广泛的应用。近年来，伴随着人工智能与深度学习技术的蓬勃发展，光度立体技术的发展进入一个崭新的时代。对深度学习技术在光度立体3D重建中的研究进展进行综述。首先，介绍光度学3D重建的研究背景和基本原理；其次，对光度立体3D重建方法的类型进行概述；接着，简要介绍常用的合成与实际拍摄数据集；然后，详细阐述深度学习技术在光度立体3D重建中的应用，它将基于物理模型的光度立体技术变为一种“数据驱动”下的技术，从而实现较高的预测精度；最后，进行分析与总结，并指出深度学习技术在光度立体领域所面临的挑战以及未来的研究趋势。

研究了基于多通道发光二极管（LED）的光谱优化模拟方法。根据光谱的线性叠加原理，将各色LED光谱导入程序，通过编程使模型在指定色温条件下输出显色指数、光效、色容差等最佳组合，以指导多通道LED照明产品调光调色应用。实验结果表明：暖白光LED与RGB（Red，Green，Blue）光混合后，在3000~5000 K色温范围内具有最佳的光度色度参数组合；在5000~8000 K范围内，冷白光LED与RGB光的混合效果最佳。探讨了各最优光谱组合解的视觉功效及非视觉功效，对光谱的最优解进行了实验验证。

精密金属零件的表面质量会影响产品的性能与外观,为此需要对零件的表面纹理进行测量与评定。常用的接触式测量方法测量效率低,而光学测量方法易受表面高亮反射的影响,为此提出一种基于近场非朗伯光度立体视觉的高亮金属表面纹理重构方法。为了有效描述非朗伯反射,该方法采用基于共位光源的逆向反射模型,用来解耦表面法向量与非线性反射模型。该方法利用邻域信息提高逆向反射模型的鲁棒性,利用最大值融合策略克服阴影影响并渲染生成针对性的仿真数据集,从而提高对金属表面反射的适应性。结果表明,所提方法能够高精度地重构高亮金属表面纹理,测量相对误差小于15%。

金属结构件的三维形状测量是评定金属构件加工质量的基础,基于结构光的三维重建方案受到金属构件中的高亮反射影响,存在着信噪比下降,甚至数据缺失的问题。针对金属构件检测中的高光问题,提出了一种自适应的条纹投影测量方案,并将其应用到金属表面的形状尺度测量中。采用了结合阈值化方法和色彩空间变换的方法检测图片高光区域,使用基于极线约束的投影-相机双视图搜索方法获取相机投影仪之间的变换关系,提出了基于双向反射分布函数(BRDF)光学成像模型的条纹调制参数生成方案,实现了投影条纹的像素级调制。实验结果表明,所提方案在减少投影次数提高测量效率的同时,高光区域测量结果的无效区域补偿率达51.3%,测量精度提升77.4%。

空间目标工作状态异常检测是空间态势感知(SSA)的重要内容,也是提高卫星监控效率、保障卫星正常工作的有效手段。针对低轨目标因运动速度较快、观测几何条件变化明显而导致的历史观测数据应用受限的问题,提出了一种基于动态时间规整(DTW)距离的空间目标异常检测方法。该方法结合太阳、目标、测站之间的相对几何关系、空间目标运动特性和空间目标光度学之间的关系,实现了对低轨空间目标运行状态及指向状态的快速诊断。最后利用所提方法分别对风云、GPS、天宫在7种不同工作状态下的光度测量数据进行了大量仿真计算。仿真结果表明,目标状态异常检测正确率达到了90%上,验证了所提方法的有效性。

在已知光源光强分布和室内空间结构的条件下,对空间表面双向反射分布函数(BRDF)进行了假设,并建立数学模型,通过实验对相关参数进行了调整。模拟了不同类型空间模型中的光照情况,并将工作面相关参数值与DIALux仿真结果进行了比较,平均照度误差值小于±3%,平面照度曲线分布基本相同。针对反射部分光能分布不均匀的问题,对墙面BRDF模型进行了改进,得到了较好的仿真效果。所提方法很好地解决了圆形底面空间、底部不等高空间下照度不能直接进行计算的问题。

为了实现大型曲面透明件雾度和透光率的实时测量, 设计了一种由LED作为光源、双积分球作为信号测量端的雾度和透光率测试仪。在系统工作原理上完成了透光率和雾度的理论推导, 然后进行了光源光谱分布对系统测试结果影响的仿真分析, 光学设计, 积分球参数设计以及支撑调整机构设计, 提高了系统的测试精度和效率。最后, 对大型曲面透明件雾度和透光率实时测试仪进行标定和样品测试。测试结果表明: 标准雾度片的透过率绝对误差均小于0.4%, 雾度绝对误差均小于0.3%, 用户提供样品的透过率测量值与理论计算值的偏差亦小于0.4%, 满足用户要求。

为了对灯具设计效果进行评价,提出了一种快速评价方法。基于实际灯具光强的实测数据,利用软件仿真来获得受照面的照明效果,从而有效控制误差和降低成本。对单个灯具在自由摆放位置和旋转角度的条件下,利用网格法划分受照面,由光度学理论计算得到受照面的照度分布。依据几何光学独立性,扩展到总体方案的照度分布。将照明效果用照度曲线和图像显示,从而对灯具设计状况获得快速、有效、直观的评价。为使图像更具直观性和有效性,提出了图像颜色随照度变化近似满足人眼gamma特性。以研制的天幕灯为例,证明了该方法的可行性。