基于数字条纹投影技术的高分辨率、高速、三维视频成像

本实验的总体目标是以达到或超过实时速度来获取高分辨率的三维视频。首先通过数字光处理投影仪高速地将正弦条纹图案投射到被测物体表面，随后依次投射三幅相移的余弦图案，以实现高精度的三维重建。

使用相机从另一个观察角度捕获这些图像。第二步是根据每组三幅条纹图案图像计算包裹相位。该过程通过反正切函数和图像强度值来实现。

接下来，对相位进行解包裹，以消除由反正切函数引起的2π不连续性。最后一步是从被测物体的解包裹相位中恢复深度信息。该深度信息是被测物体与校准平面的解包裹相位图之间的差值，经过使用参考物体确定的常数进行适当缩放和平移后得到的结果。

最终，可以使用图形软件显示所得的数据帧。与激光扫描等现有方法相比，该技术的主要优势在于能够同时实现高分辨率和高速度。由于已知的正弦图案被投射到被测物体上，因此对于所用相机的每个像素均可获取一个三维数据点，以 576 × 576 像素的相机为例。

每帧可获取超过 300,000 个三维数据点。尽管该方法具有潜在的医学应用价值，例如捕捉面部表情的形成过程或心脏表面的跳动，也可应用于众多其他研究领域。它能够实现高分辨率的面部运动捕捉，用于电影和电子游戏制作，或提升视频会议的效果。

它还可用于检测制造环境中的缺陷。该方法的可视化演示对于校准至关重要。由于该系统及其测量结果具有视觉依赖性，其处理步骤难以掌握。

检测问题最简单且最便捷的方法是通过经过训练的视觉检查。第一步是生成将要投射的条纹图案。这些图案需提前在此处使用图像编程环境 matlab 进行准备。

本视频将重点介绍二值图样的应用。为了生成离焦的二值图样，使用抖动技术仅通过纯黑和纯白像素来产生正弦图样。根据三步相移算法的要求，制作三幅彼此之间相位相差2π/3的图样图像。

在本演示中，为多频技术额外生成另外两组三幅图像，以捕捉更明显的深度变化。接下来，选择一台具有单色模式的高速数字光处理投影仪。利用投影仪配套的软件上传用于相位移动的图像。

现在，选择一台具有正确采集速率的黑白 C、CD 或 COS 相机。请注意，相机需要捕获每个视频帧的全部条纹图像，以确定投影仪应距离物体多远。当图像的垂直和水平范围略大于待研究物体时，相对于一个大的平面移动投影仪。

测量投影仪到墙面的距离。利用该距离下所需的视场角和相机传感器尺寸，计算镜头的焦距。最后一步配置是确定投影仪与相机之间在较大角度下的角间距。

特征点之间的三角测量是明显的，但更多的特征会在阴影中丢失。当角度较小时，三角测量变得困难，导致结果中的噪声增加。通常，10到15度是一个较好的折中选择。

最好在数据采集前立即进行校准。对于二值离焦系统，需调整投影镜头的焦距，使成像平面上的图案接近高质量的正弦波形。这可能需要通过反复检查测试数据并调节镜头来实现。

如果条纹模糊成一片，则投影仪焦距过松；如果在图案中可见光点，则投影仪焦距过紧。现在，将一块平整的白板放置在相机和投影仪的视场范围内。

将第一张干涉图像投影到板上，然后使用相机投影捕获并记录其余的干涉图像。以相同方式保存这些干涉图像，用于后续数据处理步骤，并将其标记为校准平面。

接下来，将一个已知尺寸的物体放置于系统的视场中。此处使用一个表面贴有漫反射粘性泡沫方块的刚性泡沫立方体。将相同的一系列条纹图像投影到该立方体上。

使用相机拍摄每张图像。将采集的图像保存下来用于后续处理步骤，并将其标记为校准立方体，以用于数据采集。

将受试者置于相机的焦平面上，将条纹图像投射到受试者表面并进行采集。通常需要高速成像以实现对快速运动的准确捕捉。人眼仅能观察到条纹图案。

在时间干涉中，利用捕获的图像辅助调整相机光圈。为了优化光照水平，条纹图像应尽可能明亮，但不得饱和。

下一步是数据的后处理。在三步相移算法中，相位是余弦函数的幅角，用于确定某一点在正弦条纹图案中的位置。已实现一种算法，可根据条纹图像计算每个点的相位，由此得到的包裹相位位于该区间内。

对校准平面、校准立方体以及被试数据应用该算法，使用负π到π的相位范围。然后利用另一种算法对相位图进行解包裹，在相位跳变处加上或减去2π。在多频技术中，将每个频率对应的包裹相位图进行组合，以得到单一的解包裹相位图。此时，重要的是重新回顾校准步骤。从校准平面相位图的中心位置提取一条水平截面。

去除其主体轮廓以获得相位误差估计值。如果投射的图案过于聚焦，误差将会较大。根据需要调整投影仪镜头，使误差处于指定范围内。

负0.1至0.1弧度。接下来，第三种算法计算校准立方体的深度。这是校准立方体与参考平面相位图之间的差异。

由此确定一个缩放因子。通过从被测物体的相位图中减去参考平面的相位图，并应用该缩放因子，即可获得被测物体的深度信息。现在可以将数据保存下来，用于在 MATLAB 或其他 3D 图形软件中进行可视化。

该技术能够以足够高的分辨率对人脸进行实时至高速的三维成像，从而呈现精细的细节。左侧的三幅图像展示了以二维、纹理、叠加、明暗、光照和线框模式显示的完整面部。中间图像为鼻部区域的线框视图放大图。

注意右侧的点密度是眼睛周围区域的放大视图。这些图像使用正弦条纹图案生成。此处展示的是微笑形成过程的3D视频。

该视频以60赫兹的频率拍摄，分辨率为640乘以480，使用了正弦条纹图案。可以实现三维视频的实时捕获、处理与渲染。在此视频中，三维测量结果以30赫兹的频率显示在计算机屏幕上。

作为该方法功能的最后一个示例，此图展示了活体兔心脏的三维视频成像。采用二值离焦技术，心脏跳动频率约为每分钟200次。三维捕捉速率为166赫兹，分辨率为576乘以576。

高速度是防止运动伪影所必需的。一旦掌握校准方法，数据采集和数据处理若操作得当，可在数小时内完成。在开发完成后，使用专为高速设计的处理软件，可在计算机屏幕上实时显示大量处理器的处理结果。

该技术为心脏表面力学领域的研究人员铺平了道路，使其能够利用高分辨率3D视频数据来研究跳动的兔心的动态表面几何形态。观看本视频后，您应基本掌握如何设计和操作高分辨率、高速3D视频系统。特别是，您应熟悉采用聚焦二值化图样的数字条纹投影技术以及参考平面校准方法背后的原理。

还应能够识别优质与劣质未包裹相位图之间的差异。