飛行時(shí)間法無(wú)掃描三維成像攝像機(jī)的機(jī)理和特性研究.pdf

1、三維成像技術(shù)發(fā)展迅速,廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、監(jiān)控、識(shí)別和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。其中,無(wú)掃描三維成像系統(tǒng)是目前的研究熱點(diǎn)。基于直接飛行時(shí)間(Time of Fligh,TOF)測(cè)量法的無(wú)掃描三維成像系統(tǒng),探測(cè)距離遠(yuǎn),能穿透樹(shù)葉、塵埃等障礙物,適合軍事應(yīng)用領(lǐng)域.基于間接TOF測(cè)量法和像增強(qiáng)器耦合型CCD(IntensifiedCCD,ICCD)/CMOS傳感器的無(wú)掃描三維成像系統(tǒng),空間分辨率較高,適合機(jī)器人導(dǎo)航、智能視頻監(jiān)控、演播室和游戲控制等近距離應(yīng)

2、用?；贗CCD的三維成像系統(tǒng),與CMOS專用傳感器技術(shù)相比,具有高空間分辨率和高動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn),但因缺乏定量分析方法,無(wú)法對(duì)各種因素進(jìn)行精確分析,給系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化造成了困難。為解決這些問(wèn)題,優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),本文對(duì)基于ICCD傳感器和間接TOF測(cè)量法的無(wú)掃描三維成像攝像機(jī)的機(jī)理和特性進(jìn)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(shí)現(xiàn)這幾個(gè)方面,提出了具有參考意義的結(jié)論和改進(jìn)的算法。
　　 第一部分研究了TOF系統(tǒng)測(cè)距理論。從攝

3、像機(jī)固定噪聲和光子噪聲出發(fā),推導(dǎo)了幾種間接TOF測(cè)量法的最小相對(duì)誤差。對(duì)余弦波-方波法展開(kāi)重點(diǎn)研究:根據(jù)采樣原理,研究了調(diào)制光源諧波分量、光源調(diào)制度、攝像機(jī)解調(diào)深度、采樣脈沖波形對(duì)稱性和系統(tǒng)增益非線性等因素對(duì)測(cè)量精度的影響。理論分析結(jié)果表明,應(yīng)提高攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍和勢(shì)阱容量,抑制余弦調(diào)制光源奇次諧波分量,提高光源調(diào)制度和系統(tǒng)解調(diào)度,提高采樣脈沖波形對(duì)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(wú)掃描三

4、維成像系統(tǒng)模型。改進(jìn)了ICCD噪聲模型和增益飽和模型,并推導(dǎo)了測(cè)量誤差估計(jì)公式。結(jié)合光源功率和像增強(qiáng)器增益非恒定的特點(diǎn),提出了模型時(shí)間離散化的處理方法。結(jié)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(duì)影響系統(tǒng)測(cè)量精度的因素進(jìn)行定量分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了第一部分的研究結(jié)論,同時(shí)表明應(yīng)該降低MCP增益,選擇時(shí)間常數(shù)較小的低阻抗MCP。提出了自動(dòng)曝光控制和分段檢測(cè)兩種改進(jìn)測(cè)量精度的方法。該模型為系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù)和

5、支持。
　　 第三部分以SR3000攝像機(jī)為例,對(duì)三維成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了研究,提出了一種數(shù)據(jù)處理框架。介紹了攝像機(jī)標(biāo)定和距離校正技術(shù)。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(dòng)曝光控制方法。針對(duì)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(duì)混合像素,提出了一種自適應(yīng)閾值的邊界混合像素濾除方法。針對(duì)散射等特殊情況,提出了根據(jù)偏移值與幅值比值進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性判斷的方法。