激光非视域成像场景仿真与三维重建技术研究

发布时间：2020-09-28 07:50

　　在进行观察时,人眼和传统成像设备都会受到遮挡或阻碍,视域受到限制,存在一定的视觉盲区。在救援、反恐、侦查等场合中,对非视域空间的观察至关重要,因此非视域成像技术受到了越来越多的关注。随着高精度探测技术的发展和相关算法研究的深入,非视域空间的成像成为可能,越来越多的学者进行了相关研究。在对国内外研究现状进行深入了解的基础上,本文着重研究了非视域成像过程中的能量传输模型,针对实验场景选择器件并建模,对激光非视域成像过程进行了仿真模拟,并以仿真数据为基础,进行了后期的算法反演和三维重建,分析了系统参数对成像结果的影响:1)介绍了激光非视域成像及仿真建模的相关理论,包括成像过程中的光线传播跟踪和能量传输模型,探测器的接收和采样量化过程,以及后期的反演算法和三维重建理论。对非视域成像过程中的分辨率进行了详细分析,指出了分辨成像的优势。2)设置了有墙面遮挡的非视域场景,读取图片置于场景中作为2D目标,导入三维模型作为3D目标,采用改进的点云跟踪方法追踪了场景中的光线传播,对关键器件进行建模,模拟了数据采集过程,计算了场景的回波分布情况,采集了仿真数据。数据用于之后的反演算法研究,同时仿真思路对实际系统的搭建也起到了一定的参考作用。3)实现了经典椭球反演算法,以模拟采集的数据为基础,进行目标所在空间的反演。通过网格划分、数据匹配、网格可能性赋值、筛选和轮廓提取,得到目标所在的区域网格,进而绘制出目标的成像图。512×512目标图的反演结果显示,椭球反演方法在参数合适的情况下可以对细节较少的2D目标进行成像,西光所所徽成像结果与原图的结构相似性(structural similarity,SSIM)可达0.9以上,但是该方法对场景要求比较苛刻,图像细节难以还原,三维bunny模型反演结果在xy平面投影完全失去了辨识度。4)实现了光锥变换反演算法,从成像过程出发,借助维纳滤波的思路,通过迭代对非视域空间进行逼近反演。光锥变换方法的时间分辨率、空间分辨率和运算量之间具有相关关系,对目标本身的性质具有很强的容忍性,2D、3D目标的反演成像都具有一定的辨识度。其中256×256的2D图像反演结果可以获得0.5以上的SSIM,3D模型bunny成像在xy平面投影和原始三维模型投影之间的SSIM也达到了0.54533。5)研究了泊松、贪婪三角形投影和powercrust三种三维重建算法,采用相同点云进行了对比实验,实现了不同方法不同采样率的bunny模型重建,对比了几种方法的重建效果,其中泊松重建适合于法向量确定的封闭表面重建,贪婪三角形投影重建方法适合于比较均匀的点云,powercrust最适合用于散乱点云的重建。采用powercrust对bunny模型的LCT反演结果进行了重建,得到了比较完整的表面,优化了可视效果。研究结果表明,采用时间分辨的方法观察非视域目标的方法是可行的,椭球反演的方法在一定场景下可以得到比较清晰的二维目标像,但是无法用于观察三维目标。光锥变换方法要优于椭球反演,可以达到接近目标原始表面的成像结果,但是系统搭建难度更大。总体而言,非视域成像结果会受到诸多因素的影响,整体计算量偏大,成像方法对系统要求很高,对场景和目标也有比较苛刻的要求,离实际应用还有一段距离。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.41;TN249
【部分图文】：

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图 1.3 RIOPR 与 FOI 成像效果[3]Figure 1.3 Imaging result of RIOPR and FOI典的 OveSteinvall[4]在该项研究中继续推进，研究了了窗户不同的反射角度对反射成像的影响。然后进行过车盖反射观察了相距 1.5m 的人，分析了车盖弯曲出了非视域成像在更多领域的应用：通过窗户观察屋域成像技术可以看做是主动成像技术的特殊应用，其统发出脉冲激光照射到反射墙面上特定的扫描点，脉被遮挡的目标，携带目标信息的脉冲激光返回反射面收区域进入探测器，由成像系统接收。激光照射墙上中介反射面在非视域成像过程中起到了至关重要的

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激光非视域成像场景仿真与三维重建技术研究实验研究中都有所建树，另外，清华大学、海军工程试。凯达等人采用激光距离选通系统进行了实验，开启中采用的激光器波长为 532 nm、脉宽 20 ns、频率、玻璃等为中介面，进行了成像研究。实验结果表明要优于落灰玻璃图像，瓷砖作为中介反射面，成像效选通非视域成像的图像对比度模型[10]，分析了成像过质量的影响[9][11][12][13]。韩宏伟完成了采用落灰玻璃进行反射的距离选通成硕士研究生翟建华作了关于精度对非视域成像影响

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图 1.8 基于光锥变换的共焦成像方法结果图[26] Result of confocal imaging method based on light cone tra法及扩展应用Rohit Pandharkar 等人首次在非视域场景中引入移动视域目标的运动轨迹[2][27]，首次扩展了激光非视域哈尔滨工业大学靳辰飞团队利用光的直线传播原理三次激光散射，采用单光子 APD 进行探测，设置了行了三维成像[28]。

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