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快速三维光学传感技术有多牛!光学仪器一秒投射了两万次图案

2016-10-21 09:54
Timeless落尘
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  获取一个物体的三维数据,需要多长时间?南京理工大学电子工程与光电技术学院85后年轻教授的最新科研成果,一秒钟可以获取5000幅三维数据,捕捉到人眼都无法察觉的瞬间形态。

  上个星期,左超在实验室展示了他的快速三维光学传感技术。只见一个小型光学投影装置、几台高速摄像机与计算机相连,当物体一放到这台成像系统前,显示器上就立刻出现了该物体的三维影像。

  “就在刚刚那一秒的瞬间,我们的光学仪器已经向物体投射了两万次变换的光学图案,并利用高速摄像机进行同步拍摄,最后由这些图像重构了5000幅的三维图像。”左超介绍,之所以能达到如此高的三维成像速度,秘诀在于他们所用的光学投影系统以及三维重建的方法。

  他解释,三维数据的获取主要有3个步骤,将结构光投影到待测物体上,通过照相机拍摄图像,再通过图像重构三维数据。“目前现有技术,一秒钟最多只能向物体投射数十幅结构光,而我们的技术可以达到两万幅。”他介绍,这个突破借助了他们设计的数字微镜阵列投影系统,在一个1厘米见方的平面上,设置了百万个角度可变的小镜子,拍摄过程中,这些小镜子能实现快速翻转,从而达到光学图案的快速切换。

  在图片的利用、三维数据的重建上,他们也突破了瓶颈。“以往的算法,需要十余幅图像甚至更多才能重构一次三维数据,而我们的新算法最少仅需3幅。瞬间生成的图像多,重构需要的图像少,这样一来一去,获得的三维数据量大大增加,三维模型就更快速、准确。”

  左超介绍,即便是人眼无法捕获的高速运动中的物体,如正在下落的乒乓球、快速转动的电扇叶片,在此系统前都“无处遁形”,能够被捕捉到完完整整的三维数据。

  2011年起,左超在该校陈钱教授的带领下开始了三维光学传感相关研究工作,并于2012年研发出了实时三维成像系统。“该系统一秒钟可以实时拍摄120幅三维照片,比我们平时所看的电视机的刷新频率都要高5倍,当时这一技术在行业内已非常领先。而我们最新的技术又比它快了一到两个数量级。目前仅有美国的一所大学开展同类研究。”

  据悉,这项成果近日发表在光学领域的着名期刊Optics Express上,并被选作OSA Image of the Week(美国光学学会周图)亮点报道。

  “这项技术应用范围很广。”左超举例,比如在线检测,流水线上生产出来的结构零件,即使在运动着的流水线上,一通过该仪器,就可以精确获得其长、宽、高及体积等,并判断其尺寸是否达标;还可以应用到机器人导航,如机器人在抓取物体时,识别、判断、抓取等在瞬间完成,不会造成动作不连贯。

  值得一提的是,除快速三维扫描系统外,左超和他的研究生们还研发出了具有全自动拼接功能的三维扫描仪,物体经扫描仪全方位自动扫描并进行数据处理后,可在计算机中形成三维模型,模型随即就可送入3D打印机,打印出一个一模一样的立体塑像。

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