飞行时间法成像系统与应用研究

发布时间：2020-08-19 19:26

【摘要】：三维图像相对于二维图像而言,可以带给人们更多的信息与更好的感官体验,在各个领域中也发挥着不可代替的作用。三维成像在人工智能、安防与监控、医疗生物等领域尤其有着重要的作用,而高精度的3D数据采集系统是三维图像应用的前提。本文从常见的深度数据获取的方式出发,对比了几种主流方式的优缺点,最终选择飞行时间法并且以此为基础设计出一种基于飞行时间法的成像系统。本文中的深度数据采集部分用的是TOF(Time of Flight)深度传感器。首先从原理上对TOF的四步相移算法进行了说明,然后对系统的功能指标进行了确定,并且完成系统的软硬件的设计工作。本论文主要工作包含以下四点:1.讨论了正方形排列的LED之间的距离以及圆形排列半径对特定照面的光照强度的影响。通过对LED光照强度的分析,分别对圆形以及正方形这两种常见的阵列对目标面的光照强度进行推导,并利用斯派罗定则对最优参数进行了相关计算,得到了两种阵列的最优参数的拟合函数并通过仿真进行了验证,结合所选择的LED参数,最后选择圆形的LED阵列。2.完成了整个系统的元器件选型以及硬件设计方案,并且设计了各个硬件模块,硬件模块包括了电源管理模块、主控制器模块、电平转换模块以及数据采集硬件模块,进行了PCB板的设计,最后通过测试验证了硬件板功能的正常性。3.完成了程序的设计,程序主要包含上位机程序、下位机程序以及基于Cortex-M4内核的任务调度器。上位机程序使用MATLAB的GUI进行设计,定义了上位机与下位机之间的通信协议。下位机软件则是基于本论文设计的任务调度器进行设计,定义了任务之间的通信协议。4.对系统进行标定并得到了参数矩阵,经过测试验证了该标定参数的正确性。通过对传感器工作原理与四步相移算法的分析,说明根据传感器读取的原始数据的大小调整积分时间来提高测量精度这一方法的可行性,并对一种逐渐逼近式自动曝光算法进行了改进,经过测试,说明改进后的算法在大的曝光初始时间下能够有效地降低运行时间。最后利用B样条曲线对系统误差进行补偿,提高了数据采集的稳定性以及精度,使系统精度达到毫米级别。其数据采集帧率达到20fps以上,满足设计指标。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;TP212
【图文】：

成像系统,三维成像系统,图像传感,科学工程

国内对于 TOF 三维成像系统的研究还处校，如合肥工业大学、浙江大学、湘潭大工艺与电子技术的限制，国外的研究机根大学电子工程与计算机科学工程的 R出一种新型三维成像系统，该系统基于的 LED 作为光源以及新型 CCD 图像传感机械扫描，并且所有的并行像素都可以进CCD 的 TOF 成像系统，但是 CCD 器件

光照强度,单个LED

图 2.4 单个 LED 光照强度在空间处的光照强度满足式[42]：θ1cos+=mLEDI I LED 的中心光强，θ 为光照角度。由于 LED 的光间处某一点的光照强度等于这些 LED 单独作用于个 LED 的光照强度在空间 P(x,y,z)可以写做：[( ) ( )] =+ + +=NnmnnledmxxyyzzIE(x,y,z)122222的是 LED 的坐标。阵列，在考虑其对于目标面的光照强度时，往往较高的光照强度。以正方形 LED 阵列为例，如

示意图,LED阵列,正方形,光照强度

的光照强度满足式[42]：θ1cos+=mLEDI I中心光强，θ 为光照角度。由于点的光照强度等于这些 LED 单独光照强度在空间 P(x,y,z)可以写做[( ) ( )] =+ + +=NnmnnledmxxyyzzI)122222ED 的坐标。考虑其对于目标面的光照强度时光照强度。以正方形 LED 阵列为D 个数来获得大的光照强度这一情

【参考文献】