飛行時間法無掃描三維成像攝像機的機理和特性研究.pdf

1、三維成像技術發(fā)展迅速,廣泛應用于導航、監(jiān)控、識別和虛擬現(xiàn)實等領域。其中,無掃描三維成像系統(tǒng)是目前的研究熱點。基于直接飛行時間(Time of Fligh,TOF)測量法的無掃描三維成像系統(tǒng),探測距離遠,能穿透樹葉、塵埃等障礙物,適合軍事應用領域.基于間接TOF測量法和像增強器耦合型CCD(IntensifiedCCD,ICCD)/CMOS傳感器的無掃描三維成像系統(tǒng),空間分辨率較高,適合機器人導航、智能視頻監(jiān)控、演播室和游戲控制等近距離應

2、用。基于ICCD的三維成像系統(tǒng),與CMOS專用傳感器技術相比,具有高空間分辨率和高動態(tài)范圍等優(yōu)點,但因缺乏定量分析方法,無法對各種因素進行精確分析,給系統(tǒng)設計和優(yōu)化造成了困難。為解決這些問題,優(yōu)化系統(tǒng)設計,本文對基于ICCD傳感器和間接TOF測量法的無掃描三維成像攝像機的機理和特性進行研究,分別從工作原理,系統(tǒng)建模,數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)實現(xiàn)這幾個方面,提出了具有參考意義的結論和改進的算法。
　　 第一部分研究了TOF系統(tǒng)測距理論。從攝

3、像機固定噪聲和光子噪聲出發(fā),推導了幾種間接TOF測量法的最小相對誤差。對余弦波-方波法展開重點研究:根據(jù)采樣原理,研究了調制光源諧波分量、光源調制度、攝像機解調深度、采樣脈沖波形對稱性和系統(tǒng)增益非線性等因素對測量精度的影響。理論分析結果表明,應提高攝像機動態(tài)范圍和勢阱容量,抑制余弦調制光源奇次諧波分量,提高光源調制度和系統(tǒng)解調度,提高采樣脈沖波形對稱性,抑制高于2階的非線性。
　　 第二部分主要研究了基于ICCD的TOF無掃描三

4、維成像系統(tǒng)模型。改進了ICCD噪聲模型和增益飽和模型,并推導了測量誤差估計公式。結合光源功率和像增強器增益非恒定的特點,提出了模型時間離散化的處理方法。結合光照模型和物體三維數(shù)據(jù),采用蒙特卡洛仿真方法,在MATLAB環(huán)境下,對影響系統(tǒng)測量精度的因素進行定量分析。實驗結果驗證了第一部分的研究結論,同時表明應該降低MCP增益,選擇時間常數(shù)較小的低阻抗MCP。提出了自動曝光控制和分段檢測兩種改進測量精度的方法。該模型為系統(tǒng)設計優(yōu)化提供了依據(jù)和

5、支持。
　　 第三部分以SR3000攝像機為例,對三維成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法進行了研究,提出了一種數(shù)據(jù)處理框架。介紹了攝像機標定和距離校正技術。提出了利用交替頻率消除距離歧義性的方法和基于感興趣區(qū)域的快速自動曝光控制方法。針對環(huán)境因素,提出了一種基于幅值的數(shù)據(jù)可靠性判斷和噪聲濾除方法。針對混合像素,提出了一種自適應閾值的邊界混合像素濾除方法。針對散射等特殊情況,提出了根據(jù)偏移值與幅值比值進行數(shù)據(jù)有效性判斷的方法。