Name: ברזולוציה גבוהה, במהירות גבוהה, הדמיה וידאו תלת ממדית עם טכניקות הקרנה הדיגיטלי פרינג (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-12-03T13:10:00.000+00:00
Duration: 11 min 34 s
Description: למד הדמיה תלת-ממדית ברזולוציה גבוהה ובמהירות גבוהה באמצעות טכניקות הקרנה הדיגיטלי פרינג'. השיטה מאפשרת לכידת יותר מ-300,000 נקודות נתונים לפריים ליישומים ביופיזיקה ונוירומדעים.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

מחקר זה היה מאמץ מצטבר שהחל לפני יותר מ-10 שנים כאשר ד"ר ג'אנג היה סטודנט לתואר שני באוניברסיטת סטוני ברוק. הסטודנטים הנוכחיים והקודמים בצוות שלנו באוניברסיטת איווה סטייט תרמו רבות לקידום הטכנולוגיה הזו למקום שבו היא נמצאת היום. עבודה זו מומנה בחלקה על ידי הקרן הלאומית למדע במסגרת פרויקט מספר CMMI 1150711, וקרן וויליאם ווירג'יניה בינגר.

1. תצורת מערכת
סכימה של המערכת מוצגת באיור 1.
<ol>
	<li>צור את תבניות השוליים להקרנה. ניתן להכין אותם זמן רב מראש על ידי שימוש בסביבת תכנות תמונות כגון MATLAB, OpenCV או QT. בנה את התבניות על פי אלגוריתם הסטת הפאזה בן שלושת השלביםב-18. צור שלוש תמונות, מוסטות בהיסט פאזה זו מזו ב-2π/3. לביטול מיקוד בינארי, השתמש בטכניקת מיזוג כדי ליצור דפוסים סינוסואידיים באמצעות פיקסלים שחורים ולבנים בלבד כמתוארב-19.</li>
	<li>בחר את המקרן לעיבוד אור דיגיטלי. מערכת ביטול מיקוד בינארית במהירות גבוהה דורשת מקרן מהיר יותר ומיוחד כגון DLP LightCommander עם מודול ALP High Speed. הקפד להשתמש בהגדרה הבינארית או המונוכרומטית כדי להקרין את תמונות השוליים. מאחר שערכי התמונה מופעלים או מבוטלים בלבד, אין צורך בהתאמות אי-ליניאריות. השתמש בתוכנת המקרן כדי להעלות את התבניות להעברת פאזה.</li>
	<li>בחר את המצלמה. בחר מצלמת CCD או CMOS בשחור-לבן עם קצב הלכידה הנכון עבור המערכת. הימנע ממצלמות צבעוניות לצילום תלת מימד מכיוון שאין צורך בצבע ומצלמות צבעוניות דורשות התאמות אי-ליניאריות וגמא. זכור שהמצלמה תצטרך ללכוד את כל מערך תמונות השוליים עבור כל מסגרת וידאו תלת-ממדית. מערכות סינוסואידיות איכותיות דורשות סנכרון מדויק בין המקרן למצלמה; עבור מערכות ביטול מיקוד בינאריות דרישה זו רגועה יותר20.</li>
	<li>קבע את הטווח המרבי הרצוי (x, y) ואת המרחק מהמקרן לאובייקט (d0). בחרו טווח הגיוני ליישום, אך ודאו שהאזור מעט גדול יותר מהנושא כדי להפחית את אפקטי הגבול האופטיים. מכיוון שתפוקת האור של מקרן היא תסכול, טווח זה (x, y) יניע את d0. הזז את המקרן ביחס למשטח הקרנה שטוח גדול עד למציאת הטווח הרצוי (x, y), ולאחר מכן מדוד d0 בעזרת סרט מדידה.</li>
	<li>בחר את עדשת המצלמה עם אורך המוקד המתאים. באמצעות גודל החיישן של המצלמה, מצא את אורך המוקד כך ששדה הראייה במרחק d0 יהיה זהה לטווח ההדמיה הרצוי (x, y).</li>
	<li>קבע את מרחק ההפרדה בין המקרן למצלמה. מתרחשת כאן פשרה בין רעש להצללה. בזווית גדולה בין הרכיבים הללו, הטריאנגולציה בין נקודות התכונה ברורה יותר, אך יותר תכונות הולכות לאיבוד בצל מנקודת המבט של המצלמה. בזווית קטנה, הטריאנגולציה הופכת לקשה, מה שמגביר את הרעש בתוצאות. בדרך כלל, 10-15 מעלות זו פשרה טובה.</li>
</ol>
2. כיול מערכת
כיול מישור ייחוס זה הוא שיטת הכיול הפשוטה והנגישה ביותר עבור המערכת. לכן, זה הטוב ביותר להתחלה. שיטות כיול מדויקות יותר זמינות בספרות עבור יישומי סינוסואיד16 ובינארייםספציפיים 17. לדיוק מרבי, יש לבצע כיול ממש לפני לכידת הנתונים. לאחר הכיול, אין לעקור את המצלמה והמקרן זה לזה.
<ol>
	<li>מיקוד/ביטול מיקוד של המקרן. בטל בזהירות את המיקוד של עדשת ההקרנה עד שהתבניות במישור ההדמיה דומות לסינוסואידים באיכות גבוהה. זה עשוי לדרוש תהליך איטרטיבי של בחינת איכות הנתונים (סעיף 4) והתאמת העדשה.</li>
	<li>צלם תמונות שוליים של מישור ייחוס. הנח לוח לבן שטוח במישור המוקד של המקרן ובשדה הראייה של המצלמה. לוח ליבת קצף לבן בעובי 3/16 אינץ' (5 מ"מ) עובד היטב, בתנאי שהמשטח הפונה למערכת אינו מבריק או פגום או קרוע משמעותית. הקלט ושמור תמונות שוליים של לוח זה לשלב עיבוד הנתונים.</li>
	<li>צלם תמונות שוליים של אובייקט ייחוס בעל ממדים ידועים. עבור שלב זה, קוביית קצף קשיחה היא דוגמה פשוטה אחת. מכסים את הקובייה בריבועים של 1/16 אינץ' (1.5 מ"מ) קצף דבק לבן כדי להפוך אותה למפוזרת. מקם אותו במישור המוקד של המצלמה בשדה הראייה של המצלמה והקלט תמונות שוליים לשלב העיבוד.</li>
</ol>
3. רכישת נתונים
<ol>
	<li>מקם את האובייקט או הזמן את הנושא לשבת במישור המוקד של המצלמה. עבור נושא אנושי, הזהר אותו שאור המקרן עשוי להיות בהיר. ניתן להשתמש ברקע בד שחור מאחורי הנושא כדי להסתיר סביבה זרה.</li>
	<li>כוונן את צמצם המצלמה כדי למטב את רמת האור. תמונות שוליים לדוגמה צריכות להיות בהירות ככל האפשר, אך לא רוויות. בתמונות כהות יהיה יותר מדי רעש, בעוד שאזורים רוויים (אזורים משמעותיים של בהירות מקסימלית) בתמונות יגרמו לאובדן פרטים באזור הרווי.</li>
	<li>צלם את מספר הפריימים הרצוי. הקפד להביא כונן קשיח גדול מספיק כדי להכיל את כל התמונות שצולמו הן עבור הנושא והן עבור מערכי הנתונים של הכיול. עם הקובץ . פורמט קובץ OBJ, סרטון תלת מימד שהוקלט ב -30 הרץ למשך דקה אחת ברזולוציה של 640 x 480 יכול להיות מעל 50 ג'יגה-בייט.</li>
</ol>
4. ניתוח נתונים והדמיה
עם תוכנה מותאמת למהירות כמו ממשק המשתמש הפנימי שלנו, שלב זה יכול להתרחש במהלך לכידת נתונים. עיבוד בזמן אמת מאפשר למשתמש לזהות מיד אם הנתונים המתקבלים רצויים עבור היישום ולהתאים במידת הצורך. עם זאת, עיבוד לאחר יכול להיות גמיש יותר ודיוק גבוה יותר. עיבוד לאחר הוא גם הרבה יותר פשוט ליישום והמקום הטוב ביותר להתחיל בו.
<ol>
	<li>חשב את השלב העטוף הן עבור נתוני הכיול והן עבור נתוני הנושא. באלגוריתם שלושת השלבים לשינוי פאזהב-18, פאזה מתארת את המיקום של נקודה בתוך פונקציית הקוסינוס. מכיוון שיש לנו שלוש משוואות ושלושה לא ידועים, אנו יכולים לפתור את המשוואות המשמשות ליצירת תמונות השוליים בשלב 1.1 עבור הפאזה בכל נקודה. בגלל פונקציית הארק-טנגנס, הפאזה המחושבת היא בטווח (-π, π]; מכאן שהוא נקרא "שלב עטוף". כדי לשפר את מהירות העיבוד, פיתחנו אלגוריתם עטיפת פאזה מהיר שנדוןב-21.</li>
	<li>פרקו את מפות השלבים. אמצו אלגוריתם לפירוק פאזה שמזהה את קפיצות ה-2π בפאזה ומסיר אותן על ידי הוספה או חיסור כפולות של 2π. השתמשנו באלגוריתם המהירב-22 במערכות קודמות כדי לפתור את הפאזה בצורה חזקה אך מהירה. בסרטון, אנו מדגימים את הטכניקה הרב-תדרית המתוארתב-15, המשתמשת בקבוצות נוספות של שלושה דפוסים מוסטים פאזה בתדרים שונים. ניתן לשלב את מפות הפאזה העטופות מכל קבוצה של שלוש כדי להניב בצורה חזקה מפת פאזה אחת לא עטופה. טכניקה זו מגדילה את טווח העומק לצילום מדויק עם ביטול מיקוד בינארי.</li>
	<li>אופציונלי: חשב את המרקם הדו-ממדי. חישוב ממוצע של שלוש תמונות שוליים סמוכות ישטוף את פסי השוליים וייצור את מפת המרקם הדו-ממדית. ניתן למפות זאת על נתוני התלת מימד במהלך ההדמיה אם תרצה.</li>
	<li>המר את מפות הפאזה הלא עטופות לעומק. כמתוארב-23, ניתן לחשב עומק עבור קוביית הכיול כהפרש בין מפת הפאזה של קוביית הכיול לבין מפת הפאזה של מישור הייחוס. השווה את העומק המחושב הזה לעומק הידוע כדי לחשב את גורם קנה המידה הנכון של העומק c0. לאחר מכן, חשב את העומק עבור הנבדק על ידי הפחתת שלב מישור הייחוס מהפאזה של הנבדק והכפלת התוצאות ב-c0.</li>
	<li>חשב את הקואורדינטות x ו- y. החל את גורם קנה המידה c0 על מפת העומק של קוביית הכיול. קבע את גורם ההמרה ρ מממדי הקובייה בפיקסלים למידות הקובייה הידועות במישור xy. הכפל את ספירת הפיקסלים בנתוני הנושא ב-ρ כדי לחשב את קואורדינטות x ו-y.</li>
	<li>הצג את הנתונים באופן חזותי. ניתן לשמור מסגרות בודדות בפורמט הפנימי שלנו ולצפות בהן באמצעות קוד MATLAB פשוט או לשמור ב-. פורמט OBJ ונצפה עם תוכנת מידול תלת מימד מסחרית כגון בלנדר. בשל כמות הנתונים הגדולה בכל מסגרת, יישומים אלה עשויים להיות איטיים במחשבים מסוימים. לקבלת תגובתיות טובה יותר או להצגת וידאו חי, כתוב תוכנה באמצעות ספריית גרפיקה ממוחשבת כגון OpenGL או Direct3D. תוכנה זו יכולה לנצל את יחידת העיבוד הגרפי (GPU) כדי ליצור במהירות את קואורדינטות x, y ו-z מהשלב הלא עטוף, ליצור רשת משולש, לחשב נורמלי תאורה ולהציג את התוצאות. באמצעות ה-GPU, השגנו הדמיית נתונים תלת מימדית חיה של עד 30 הרץ עם כ-300,000 נקודות למסגרת.</li>
</ol>

<ol><li>Salvi, J., Fernandez, S., Pribanic, T., Llado, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+state+of+the+art+in+structured+light+patterns+for+surface+profilometry%5BTitle%5D)+AND+%22Patt.+Recogn%22%5BJournal%5D)">A state of the art in structured light patterns for surface profilometry.</a> Patt. Recogn. 43, 2666-2680 (2010).</li>
<li>Gorthi, S. S., Rastogi, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fringe+projection+techniques%3A+Whither+we+are%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Laser+Eng%22%5BJournal%5D)">Fringe projection techniques: Whither we are.</a> Opt. Laser Eng. 48 (2), 133-140 (2010).</li>
<li>Zhang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+progresses+on+real-time+3-D+shape+measurement+using+digital+fringe+projection+techniques%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Laser+Eng%22%5BJournal%5D)">Recent progresses on real-time 3-D shape measurement using digital fringe projection techniques.</a> Opt. Laser Eng. 48 (2), 149-158 (2010).</li>
<li>Su, X., Zhang, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+3-D+shape+measurement+method%3A+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Laser+Eng%22%5BJournal%5D)">Dynamic 3-D shape measurement method: A review.</a> Opt. Laser Eng. 48 (2), 191-204 (2010).</li>
<li>Geng, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structured-light+3D+surface+imaging%3A+a+tutorial%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Opt.+Photonics%22%5BJournal%5D)">Structured-light 3D surface imaging: a tutorial.</a> Adv. Opt. Photonics. 3 (2), 128-160 (2011).</li>
<li>Zhang, S., Yau, S. -T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution%2C+real-time+3-D+absolute+coordinate+measurement+based+on+a+phase-shifting+method%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">High-resolution, real-time 3-D absolute coordinate measurement based on a phase-shifting method.</a> Opt. Express. 14 (7), 2644-2649 (2006).</li>
<li>Zhang, S., Royer, D., Yau, S. -T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((GPU-assisted+high-resolution%2C+real-time+3-D+shape+measurement%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">GPU-assisted high-resolution, real-time 3-D shape measurement.</a> Opt. Express. 14 (20), 9120-9129 (2006).</li>
<li>Lei, S., Zhang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flexible+3-D+shape+measurement+using+projector+defocusing%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Flexible 3-D shape measurement using projector defocusing.</a> Opt. Lett. 34 (20), 3080-3082 (2009).</li>
<li>Mehta, R. P., Zhang, S., Hadlock, T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Novel+3-D+video+for+quantification+of+facial+movement%5BTitle%5D)+AND+%22Otolaryngol.+Head+Neck+Surg%22%5BJournal%5D)">Novel 3-D video for quantification of facial movement.</a> Otolaryngol. Head Neck Surg. 138 (4), 468-472 (2008).</li>
<li>Wang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+resolution+acquisition%2C+learning+and+transfer+of+dynamic+3D+facial+expressions%5BTitle%5D)+AND+%22Comput.+Graph.+Forum%22%5BJournal%5D)">High resolution acquisition, learning and transfer of dynamic 3D facial expressions.</a> Comput. Graph. Forum. 23 (3), (2004).</li>
<li>Laughner, J. I., Zhang, S., Li, H., Efimov, I. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mapping+cardiac+surface+mechanics+with+structured+light+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Am.+J.+Physiol.+Heart+Circ.+Physiol%22%5BJournal%5D)">Mapping cardiac surface mechanics with structured light imaging.</a> Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. , in press (2012).</li>
<li>Ekstrand, L., Wang, Y., Karpinsky, N., Zhang, S. Superfast 3D profilometry with digital fringe projection and phase-shifting techniques. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aEkstrand%2C+L+%22Handbook+of+3-D+machine+vision%3A+Optical+metrology+and+imaging%22">Handbook of 3-D machine vision: Optical metrology and imaging</a>. , Taylor & Francis. Boca Raton, FL. (2012).</li>
<li>Zhang, S., Huang, P. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+real-time+three-dimensional+shape+measurement%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Eng%22%5BJournal%5D)">High-resolution real-time three-dimensional shape measurement.</a> Opt. Eng. 45 (12), 123-601 (2006).</li>
<li>Li, Y., Zhao, C., Qian, Y., Wang, H., Jin, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed+and+dense+three-dimensional+surface+acquisition+using+defocused+binary+patterns+for+spatially+isolated+objects%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">High-speed and dense three-dimensional surface acquisition using defocused binary patterns for spatially isolated objects.</a> Opt. Express. 18, 21-635 (2010).</li>
<li>Wang, Y., Zhang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Superfast+multifrequency+phase-shifting+technique+with+optimal+pulse+width+modulation%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Superfast multifrequency phase-shifting technique with optimal pulse width modulation.</a> Opt. Express. 19 (6), 5143-5148 (2011).</li>
<li>Zhang, S., Huang, P. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Novel+method+for+structured+light+system+calibration%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Eng%22%5BJournal%5D)">Novel method for structured light system calibration.</a> Opt. Eng. 45 (8), 083601(2006).</li>
<li>Merner, L., Wang, Y., Zhang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Accurate+calibration+for+3D+shape+measurement+system+using+a+binary+defocusing+technique%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Laser+Eng%22%5BJournal%5D)">Accurate calibration for 3D shape measurement system using a binary defocusing technique.</a> Opt. Laser Eng. 51 (5), 514-519 (2013).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Optical+Shop+Testing%22">Optical Shop Testing</a>. Malacara, D. , 3rd, John Wiley and Sons. New York. (2007).</li>
<li>Wang, Y., Zhang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+shape+measurement+with+binary+dithered+patterns%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional shape measurement with binary dithered patterns.</a> Appl. Opt. 51 (27), 6631-6636 (2012).</li>
<li>Ekstrand, L., Zhang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Autoexposure+for+three-dimensional+shape+measurement+with+a+digital-light-processing+projector%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Eng%22%5BJournal%5D)">Autoexposure for three-dimensional shape measurement with a digital-light-processing projector.</a> Opt. Eng. 50 (12), 123-603 (2011).</li>
<li>Huang, P. S., Zhang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fast+three-step+phase-shifting+algorithm%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Fast three-step phase-shifting algorithm.</a> Appl. Opt. 45 (21), 5086-5091 (2006).</li>
<li>Zhang, S., Li, X., Yau, S. -T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multilevel+quality-guided+phase+unwrapping+algorithm+for+real-time+3-D+shape+reconstruction%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Multilevel quality-guided phase unwrapping algorithm for real-time 3-D shape reconstruction.</a> Appl. Opt. 46 (1), 50-57 (2007).</li>
<li>Xu, Y., Ekstrand, L., Dai, J., Zhang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phase+error+compensation+for+3-D+shape+measurement+with+projector+defocusing%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Phase error compensation for 3-D shape measurement with projector defocusing.</a> Appl. Opt. 50 (18), 2572-2581 (2011).</li>
</ol>

למחברים אין אינטרסים כלכליים מתחרים.

טכנולוגיית הדמיית וידאו תלת-ממדית ברזולוציה גבוהה, בזמן אמת עד מהירה במיוחד, היא טכנולוגיית פלטפורמה שעשויה להועיל לתחומים מדעיים רבים ומגוונים, החל ממדע ביולוגי ועד פרקטיקה הנדסית. יישומים ביו-רפואיים כוללים מדידות מדויקות של תנועות פנים ומשטחי איברים. יישומים אחרים כוללים בקרת איכות אוטומטית תלת מימדית עם זיהוי תכונות משטח מעוותות; שיחות ועידה בווידאו משופרות בתלת-ממד; דיגיטציה מפורטת של תווי פנים לסרטים ומשחקי וידאו; מדידות דפורמציה צפופות ומהירות לתכנון וניתוח מבנים; ואפיון פני השטח של נוזלים. יישומים ביולוגיים והנדסיים רבים (למשל לבבות ארנב פועמים, גלי הלם נוזליים) דורשים קצבי הדמיה מהירים במיוחד של מערכת דה-מיקוד בינארית כדי לפתור נכון תכונות מבלי ליצור כינוי של חפצים.
עם זאת, נותרו אתגרים רבים לאימוץ נרחב של טכנולוגיה זו. טכנולוגיית DFP קונבנציונלית מחייבת את המקרן להציג תבניות שוליים סינוסואידיות בגווני אפור של 8 סיביות. מהירות טכניקה זו מוגבלת על-ידי קצב הרענון של המקרן (בדרך כלל 120 הרץ). מהירות זו מספיקה ללכידה בהילוך איטי כמו זו בהבעות פנים. עם זאת, קיימים יישומים רבים הדורשים קצבי לכידה מהירים יותר.
טכנולוגיית ביטול המיקוד הבינארי הקלה על מגבלת המהירות הזו, ויצרנו בהצלחה מערכת הדמיית וידאו תלת-ממדית מהירה במיוחד. עם זאת, למערכת זו יש שני חסרונות. ראשית, היא דורשת מקרן יקר כמו פלטפורמת DLP Discovery ומצלמת וידאו יקרה במהירות גבוהה כמו Vision Research Phantom v9.1. שנית, מכיוון שהיא מייצרת דפוסים סינוסואידיים באמצעות ביטול המיקוד של תבניות בינאריות בריבוע, לטכניקת ביטול המיקוד הבינארי יש קושי ליצור שוליים סינוסואידיים באותה איכות כמו טכניקת DFP המסורתית וטווח מדידת עומק מופחת (להסבר נוסף, ראה23). מחקר שנערך לאחרונה מצביע על כך שדפוסים סינוסואידיים בינאריים מהוססים יכולים להקל משמעותית על המגבלות על טווח מדידת העומק19. מחקר עתידי יתמקד בהתגברות על הבעיות הנותרות תוך שמירה על היתרונות של ביטול מיקוד בינארי.
אתגר נוסף הוא דחיסה ואחסון של כמות גדולה של נתונים הנוצרים על-ידי מערכות הדמיית וידאו תלת-ממדיות במהירות גבוהה וברזולוציה גבוהה. סרטוני וידאו תלת-ממדיים לא דחוסים גדולים באופן דרסטי מסרטוני וידאו דו-ממדיים לא דחוסים. לדוגמה, עבור סרטון תלת-ממד שהוקלט ב-30 הרץ למשך דקה אחת ברזולוציה של 640 x 480, הקובץ . גודל קובץ OBJ יכול להיות מעל 50 ג'יגה-בייט, מה שמקשה מאוד על האחסון. מכיוון שנעשתה התקדמות מועטה בתחום דחיסת הווידאו התלת מימדי, נמשיך להתמקד בכך בעתיד.

טכניקות הקרנת שוליים דיגיטליות (DFP) מבוססות על מתאם וטריאנגולציה בין שתי תצוגות של אותה סצנה בזוויות שונות, אותו עיקרון המופעל על ידי העיניים והמוח האנושיים להשגת ראיית סטריאו. עם זאת, בניגוד לשיטה מבוססת סטריאו, DFP משתמש במקרן וידאו דיגיטלי כדי להחליף את אחת המצלמות1. המקרן מקרין במהירות דפוס סינוסואידלי ידוע על האובייקט שפני השטח של האובייקט מעוותים בשדה הראייה של המצלמה. ניתן לנתח שלושה דפוסים מעוותים כאלה (תמונות שוליים) בשינויי פאזה שונים זה מזה כדי לאחזר את העומק באמצעות טריאנגולציה. השימוש בדפוס ידוע מבטל את הבעיה החישובית הקשה של זיהוי נקודות התכתבות, ומאפשר לכידת מדידות עומק ברזולוציית המצלמה. לדוגמה, עם מצלמה של 576 x 576, הטכניקה יכולה ללכוד 331,776 נקודות. זה מאפשר למערכות DFP למדוד פרטים עדינים מאוד כמו תנועת שרירי הפנים ברגשות אנושיים.
טכניקות הדמיה אופטית תלת מימדית לאירועים סטטיים או מעין-סטטיים נחקרו בהרחבה במהלך העשורים האחרונים וזכו להצלחה רבה בעיצוב משחקי וידאו, אנימציה, סרטים, סרטוני מוזיקה, מציאות מדומה, טלכירורגיה ודיסציפלינות הנדסיות רבות5. למרות שקיימות טכניקות פרופילומטריה תלת מימדיות רבות, ניתן לסווג אותן לשתי קטגוריות: שיטות מגע עם פני השטח ושיטות ללא מגע עם פני השטח. גם מכונת מדידת הקואורדינטות (CMM) וגם מיקרוסקופ הכוח האטומי (AFM) דורשים מגע עם משטח המדידה כדי להשיג פרופילים תלת מימדיים בדיוק גבוה. דרישה זו מטילה מגבלות חמורות על מהירות דרכי המגע. הם לא יכולים להגיע למהירות מדידת קילו-הרץ עם אלפי נקודות לסריקה.
טכניקות ללא מגע פני השטח משתמשות בדרך כלל בשיטות טריאנגולציה אופטיות (למשל ראיית סטריאו, סטריאו מרחב-זמן, אור מובנה). על ידי הקרנה פעילה של דפוסים ידועים על האובייקטים, ניתן להשתמש בטכניקות אור מובנות למדידת משטחים ללא וריאציות מרקם מקומיות חזקות1. ניתוח שוליים הוא קבוצה מיוחדת של טכניקות אור מובנות המשתמשות בדפוסים מובנים סינוסואידיים (הידועים גם בשם דפוסי שוליים). מכיוון שלדפוסים אלה יש עוצמות המשתנות ברציפות מנקודה לנקודה באופן ידוע, הם מגבירים את טכניקות האור המובנות מרזולוציית פיקסל מקרן לרזולוציית פיקסל מצלמה12. בעבר הלא רחוק, טכניקות ניתוח שוליים היו חיוניות בהשגת הדמיה תלת מימדית ברזולוציה גבוהה.
טכניקת הקרנת השוליים הדיגיטלית (DFP) משתמשת במקרני וידאו דיגיטליים כדי ליצור דפוסי שוליים סינוסואידיים. לטכניקה זו יש יתרונות של עלות נמוכה יותר, מהירות גבוהה יותר ופשטות פיתוח, והיא הייתה תחום מחקר פעיל מאוד בעשור האחרון. ההתפתחויות האחרונות ב-DFP וטכניקות אור מובנות דיגיטליות דומות מסוכמותב-1-5. כדי להשיג יישומים במהירות גבוהה, עדיף מקרן עיבוד אור דיגיטלי (DLP) בשל מנגנון הפעולה הבסיסי שלו. המהירות והגמישות של טכניקה זו אפשרו לנו לרכוש וידאו תלת מימד ב-40 הרץ 13 ולאחר מכן ב-60 הרץ 6,7.
עם זאת, קיימת מגבלת מהירות בסיסית עבור טכניקת DFP המסורתית. מקרן DLP יכול להחליף רק תמונות צבעוניות של 8 סיביות בקצב הרענון המרבי שלו (בדרך כלל 120 הרץ). מכיוון שדפוסי השוליים המסורתיים הם תמונות בגווני אפור של 8 סיביות, אנו יכולים לקודד שלוש מהן לתמונה צבעונית אחת כערוצי הצבע האדום, הירוק והכחול. המקרן יחליף כל ערוץ (ולכן כל דפוס שוליים) פי שלושה מקצב הרענון (בדרך כלל 360 הרץ). עם זאת, מכיוון שכל פריים וידאו תלת-ממדי דורש שלוש דפוסי שוליים, הקצב המרבי של לכידת וידאו תלת-ממדית הוא עדיין רק קצב הרענון (120 הרץ)3,14. כדי לפרוץ את מגבלת החומרה הזו, המצאנו טכניקת DFP שונה המשתמשת בביטול מיקוד בינארי8. במקום דפוסי שוליים בגווני אפור של 8 סיביות, טכניקה זו משתמשת בתבניות מובנות בינאריות של 1 סיביות שנוצרו על ידי מחשב. דפוסים אלה אינם ממוקדים באמצעות עדשת המקרן כדי להפוך לדפוסים פסאודו-סינוסואידיים עבור DFP. מכיוון שמקרני DLP יכולים להציג תמונות בינאריות בסדר גודל מהיר יותר מתמונות בגווני אפור של 8 סיביות, טכנולוגיית ביטול המיקוד הבינארי מאפשרת מהירות הדמיית וידאו תלת מימדית של עשרות קילו-הרץ באותה רזולוציה כמו טכניקות DFP הקונבנציונליות15.
המטרה הכוללת של הפרוטוקול הבא היא להדגים את המימוש והתפעול הבסיסיים של מערכת DFP בינארית לשינוי פאזה תלת-שלבי. ראשית, הפרוטוקול יכסה את הבחירה והאינטגרציה של הרכיבים הדרושים. לאחר מכן, הוא ידון בשיטת הכיול הפשוטה והנגישה ביותר עבור המערכת; שיטות כיול מורכבות יותר זמינות בספרות עבור יישומים ספציפיים16,17. לאחר מכן הפרוטוקול יתמקד בהליך לכידת וידאו תלת מימד עם המערכת ובתהליך המרת תמונות השוליים למדידות תלת מימד חזותיות. לבסוף, נציג כמה תוצאות מייצגות מהמערכות שלנו בזמן אמת ובמהירות גבוהה.

<table><tbody><tr><td colspan="4">לא נעשה שימוש בחומרים או ציוד.</td></tr></tbody></table>

ברזולוציה גבוהה, במהירות גבוהה, הדמיה וידאו תלת ממדית עם טכניקות הקרנה הדיגיטלי פרינג&#39;

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

טכניקות הקרנת שוליים דיגיטליות (DFP) מספקות מדידות תלת-ממדיות צפופות של משטחים המשתנים באופן דינמי. בדומה לעיניים ולמוח האנושיים, DFP משתמש בטריאנגולציה בין נקודות תואמות בשתי תצוגות של אותה סצנה בזוויות שונות כדי לחשב עומק. עם זאת, בניגוד לשיטה מבוססת סטריאו, DFP משתמש במקרן וידאו דיגיטלי כדי להחליף את אחת המצלמות1. המקרן מקרין במהירות דפוס סינוסואידלי ידוע על הנושא, ופני השטח של הנושא מעוותים את הדפוסים הללו בשדה הראייה של המצלמה. ניתן להשתמש בשלוש תבניות מעוותות (תמונות שוליים) מהמצלמה כדי לחשב את העומק באמצעות טריאנגולציה.
בניגוד לשיטות מדידה תלת-ממדיות אחרות, טכניקות DFP מובילות למערכות הנוטות להיות מהירות יותר, נמוכות יותר בעלות הציוד, גמישות יותר וקלות יותר לפיתוח. מערכות DFP יכולות גם להשיג את אותה רזולוציית מדידה כמו המצלמה. מסיבה זו, DFP וטכניקות אור מובנות דיגיטליות אחרות עמדו לאחרונה במוקד מחקר אינטנסיבי (כפי שסוכםב-1-5). תוך ניצול DFP, יחידת העיבוד הגרפי ואלגוריתמים מותאמים, פיתחנו מערכת המסוגלת לרכישה, שחזור ותצוגה של נתוני וידאו תלת מימדיים של 30 הרץ עבור למעלה מ-300,000 נקודות מדידה למסגרת6,7. שיטות DFP בינאריות לביטול מיקוד יכולות להשיג מהירויות גבוהות עוד יותר8.
יישומים מגוונים יכולים להפיק תועלת מטכניקות DFP. משתפי הפעולה שלנו השתמשו במערכות שלנו לניתוח תפקודי פנים9, אנימציית פנים10, מחקרי מכניקת לב11 ומדידות פני נוזלים, אך קיימים יישומים פוטנציאליים רבים אחרים. סרטון זה ילמד את היסודות של טכניקות DFP וימחיש את התכנון והתפעול של מערכת DFP בינארית.

איור 1 מציג את הסכימה של המערכת. מערכת הדה-פוקוס הבינארית במהירות גבוהה בסרטון זה מורכבת ממקרן Logic PD DLP LightCommander וממצלמת Phantom v9.1 CMOS.
איור 2 מציג פריים בודד של פני אדם ממערכת התלת-ממד בזמן אמת שלנו. מערכת זו משתמשת במצלמה בעלת רזולוציה של 640 x 480. הודות לתבנית הסינוסואידלית הידועה שהוזכרה לעיל, אנו יכולים ללכוד 307,200 = 640 x 480 מדידות, רזולוציה המספיקה כדי להקליט פרטים דקים מאוד.
איור 3 מציג דוגמה למדידת הבעות פנים אנושיות בתלת-ממד בתדר של 60 Hz. כאן, ארבעה פריימים שנבחרו מרצף וידאו מדגימים בבירור את יכולתו של המערכת בזמן אמת ללכוד שינויים דינמיים בגיאומטריה מפורטת.
איור 4 מדגים את התוכנה שלנו לוויזואליזציה חיה, המשמשת בשילוב עם מערכת הווידאו התלת-ממדית שלנו המבוססת על בינארי דה-פוקוס בזמן אמת. הווידאו התלת-ממדי שצולם של הנבדק מוצג בזמן אמת על מסך המחשב מימינו. תוכנה זו נכתבה בשפת C++ תוך שימוש בספריית OpenGL, ב-GLSL וב-QT. המחשב המשמש הוא מחשב נייד של Lenovo.
איור 5 מציג פריימים בתלת-ממד ממדידה של לב ארנב חי באמצעות מערכת הדיפוקוס הבינארית המהירה שפיתחנו. מערכת זו יכולה להקליט פריימים בתלת-ממד בתדר של 667 Hz עם רזולוציית תמונה של 576 x 576. קצב מהיר מאוד נדרש כדי למדוד את פני השטח של הלב ללא ארטיפקטים הנגרמים מתנועה. מחקר מדידת הלב בוצע בשיתוף עם פרופ' Igor Efimov מאוניברסיטת Washington ב-St. Louis (ראו 11 לפרטים נוספים); שימו לב כי הארנב הומת באופן הומני וכי התמונות צולמו בעוד הלב עדיין פועם.
<img alt="דיאגרמה של הדמיית אור מובנה עם משוואות השלכה; מערך מקרן-מצלמה מנתח תבניות." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50421/50421fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50421/50421fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="איור 1"> 
איור 1. סידור מערכת הדמיית הווידאו בתלת-ממד. במערכת זו, מקרן DLP במהירות גבוהה מקרין שלוש תמונות בינאריות עם dither and phase-shift ברצף מהיר על העצם. מצלמת CMOS במהירות גבוהה משמשת ללכידת שלוש תמונות הפסים אחת אחרי השנייה לצורך חישוב העומק.
<img alt="תהליך שחזור פנים תלת-ממדי; ויזואליזציה של רשת; טכניקת מידול דיגיטלי; מחקר אנתרופומטרי." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50421/50421fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50421/50421fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="איור 2"> 
איור 2. מדידות תלת-ממדיות של פנים אנושיות ברזולוציה של 640 x 480, החושפות פרטים עדינים. משמאל לימין מוצגים הטקסטורה שנלכדה בו-זמנית ומיושרת באופן מושלם עם הגאומטריה, תצוגה מוצלת של הגאומטריה, תצוגת שלד (wireframe) המתארת את צפיפות הנקודות, תצוגה מקרוב של אזור האף, ותצוגה מקרוב של אזור העין.
<img alt="מורפינג של הבעות פנים בתלת-ממד, טרנספורמציה דיגיטלית, ניתוח חזותי, תרשים רצף." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50421/50421fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50421/50421fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="איור 3"> 
איור 3. ארבעה פריימים נבחרים מסרטון תלת-ממדי של היווצרות הבעה פנים. הסרטון צולם ב-60 Hz ברזולוציה של 640 x 480. פריימים אלה מדגישים את השינויים הגאומטריים בפניה של האישה בעודה עוברת מהבעה ניטרלית לחיוך.
<img alt="סידור לזיהוי פנים עם סריקה אופטית וניסוי הדמיה בתלת-ממד המציג תוצאות בזמן אמת." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50421/50421fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50421/50421fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="איור 4"> 
איור 4. לכידה, עיבוד ורינדור של וידאו בתלת-ממד בזמן אמת. המדידות בתלת-ממד מוצגות בזמן אמת על מסך המחשב מימינו של הנבדק.
<img alt="מודלים תלת-ממדיים של לב; תרשים המראה זוויות סיבוב שונות עבור ניתוח דימות רפואי." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50421/50421fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50421/50421fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="איור 5"> 
איור 5. לכידת לב ארנב חי באמצעות מערכת הדימות הווידאו התלת-ממדית המהירה במיוחד שלנו. הלב פועם בקצב של כ-200 beats/min. קצב הלכידה התלת-ממדי היה 166 Hz עם רזולוציית תמונה של 576 x 576. ראו 11 לפרטים נוספים.

סרטון זה מתאר את היסודות של טכניקות הקרנת שוליים דיגיטליות, המספקות מדידות תלת מימד צפופות של משטחים המשתנים באופן דינמי. הוא גם מדגים את התכנון והתפעול של מערכת ביטול מיקוד בינארית במהירות גבוהה המבוססת על טכניקות אלה.

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

המטרה הכללית של פרוצדורה זו היא להקליט וידאו תלת-ממדי ברזולוציה גבוהה במהירות של זמן אמת או יותר. דבר זה מושג תחילה על ידי הקרנת תבניות פסי-סינוס (sinusoidal fringe pattern) על הנבדק במהירות גבוהה באמצעות מקרן DLP (digital light processing). שלוש תבניות קוסינוס מוסטות מוקרנות ברצף כדי להשיג דיוק גבוה.מצלמה משמשת ללכידת תמונות אלו מזווית צפייה אחרת. השלב השני הוא חישוב הפאזה העטופה (wrapped phase) מכל קבוצה של שלוש תמונות תבנית פסים. פעולה זו מבוצעת באמצעות פונקציית הארק-טנגנס וערכי עוצמת התמונה.בשלב הבא, הפאזות נפתחות (unwrapped) כדי להסיר את שתי אי-הרציפויות של pi הנובעות מפונקציית ה-arc tangent. השלב הסופי הוא השגת העומק מהפאזה הפתוחה של הנבדק. זהו ההפרש בין מפות הפאזה הפתוחות של הנבדק לבין מישור הכיול, לאחר ביצוע קנה מידה והזזה מתאימים באמצעות קבועים שנמצאו בעזרת אובייקט ייחוס.בסופו של דבר, ניתן להציג את מסגרות הנתונים שהתקבלו באמצעות תוכנה גרפית. היתרון המרכזי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות אחרות, כגון סריקה בלייזר, הוא היכולת להשיג הן רזולוציה גבוהה והן מהירות גבוהה. מכיוון שתבניות סינוסואידליות ידועות מוקרנות על הנבדק, ניתן לשחזר נקודת נתונים תלת-ממדית עבור כל פיקסל במצלמה שבה נעשה שימוש, עם מצלמה של 576 על 576.אנו יכולים לשחזר למעלה מ-300,000 נקודות נתונים בתלת-ממד לכל פריים. למרות שלשיטה זו יש יישומים רפואיים פוטנציאליים, כגון לכידה של היווצרות הבעות פנים או פעימות פני השטח של לב, ניתן ליישמה גם במגוון רחב של תחומי מחקר אחרים. היא מאפשרת לכידת תנועות פנים ברזולוציה גבוהה לשימוש בסרטים ובמשחקי וידאו, או שיטה משופרת לעריכת שיחות וידאו.ניתן להשתמש בשיטה זו גם לזיהוי פגמים בסביבת ייצור. הדגמה חזותית של שיטה זו היא קריטית ככיול. שלבי העיבוד קשים ללמידה בשל הגיל החזותי של המערכת והמדידות שלה.הדרך הפשוטה והקלה ביותר לזיהוי בעיות היא באמצעות בדיקה ויזואלית מיומנת. השלב הראשון הוא יצירת תבניות המנורות (fringe patterns) שיוקרנו. אלו מוכנות מראש באמצעות סביבת תכנות תמונות, במקרה זה matlab.סרטון זה יתמקד בשימוש בתבניות בינאריות. כדי להפיק תבנית בינארית מטושטשת (defocused), השתמשו בטכניקת dithering ליצירת תבניות סינוסואידליות המורכבות מפיקסלים של שחור מוחלט ולבן מוחלט בלבד. צרו שלוש תמונות של התבנית המוזזות ביניהן במופע של two pi over three, כפי שנדרש על ידי אלגוריתם הזזת המופע בשלושה שלבים.בהדגמה זו, מופקות שתי סדרות נוספות של שלושה עבור טכניקת הרב-תדר (multi frequency), המסוגלת ללכוד שינויים חדים יותר בעומק. לאחר מכן, בחרו במקרן DLP (digital light processing) במהירות גבוהה עם הגדרה מונוכרומטית. השתמשו בתוכנה המצורפת למקרן כדי להעלות את התמונות עבור הזזת הפאזה (phase shifting).כעת, בחרו מצלמת C, CD או COS בשחור-לבן עם קצב לכידה מתאים למערכת. שימו לב כי המצלמה תצטרך ללכוד את כל סט תמונות הפסים עבור כל פריים בווידאו כדי לקבוע את המרחק שבו יש להניח את המקרן מהאובייקט. הזזו את המקרן ביחס למשטח שטוח וגדול כאשר ההיקף האנכי והאופקי של התמונה גדול מעט מהאובייקט הנחקר.מדדו את המרחק של המקרן מהקיר. השתמשו בשדה הראייה הרצוי במרחק זה ובגודל חיישן המצלמה כדי למצוא את אורך המוקד של העדשה. שלב ההגדרה האחרון הוא קביעת ההפרדה הזוויתית בין המקרן למצלמה בזווית גדולה בין רכיבים אלה.טריאנגולציה בין נקודות ייחוס היא ברורה, אך יותר מאפיינים הולכים לאיבוד בצל. בזווית קטנה, הטריאנגולציה הופכת לקשה ומגבירה את הרעש בתוצאות. בדרך כלל, 10 עד 15 מעלות מהו פשרה טובה.מומלץ לבצע את הכיול רגע לפני לכידת הנתונים. עבור מערכת דה-פוקוס בינארית, יש לבצע דה-פוקוס לעדשת ההקרנה עד שהתבניות במישור הדימות דומות לסינוסואידים באיכות גבוהה. הדבר עשוי לדרוש תהליך איטרטיבי של בחינת נתוני בדיקה וכוונון העדשה.אם הפסים מיטשטשים זה לתוך זה, המקרן אינו ממוקד מספיק. אם נראות נקודות בתוך התבנית, המקרן ממוקד מדי. כעת, הניחו לוח מחיק שטוח בשדות הראייה של המצלמה ושל המקרן.הקרינו את תמונת הפס הראשון על הלוח. לאחר מכן, צלמו אותה באמצעות המצלמה והקרינו והקליטו את שאר תמונות הפס. באופן דומה, שמרו תמונות פס אלו לשלב עיבוד הנתונים, וסמנו אותן כמישור הכיול.בשלב הבא, הניחו אובייקט בעל ממדים ידועים בשדה הראייה של המערכת. במקרה זה, נעשה שימוש בקוביה מקצף קשיח המכוסה בריבועי קצף דביק ומפיץ. השליכו את אותה סדרה של תמונות פסים על הקוביה.צילום של כל אחד מהם באמצעות המצלמה. שמרו את התמונות שצולמו לשלב העיבוד, וסמנו אותן כקוביות הכיול. לצורך איסוף נתונים.מקם את הנבדק במישור המוקד של המצלמה, הקר תמונות פסים על הנבדק וצלם אותן. בדרך כלל נדרשת מהירות גבוהה לצורך לכידה נכונה של תנועה במהירות גבוהה. העין האנושית יכולה לראות רק את הפסים.בהתערבות זמנית (temporal interference), השתמשו בתמונות שצולמו כדי לסייע בכיול צמצם המצלמה. כדי למקסם את רמת התאורה, תמונות הפסים צריכות להיות בהירות ככל האפשר, אך לא רוויות.השלב הבא הוא עיבוד נתונים לאחר המדידה (post-processing). באלגוריתם הזזת המופע בעובד שלושה שלבים, המופע הוא הארגומנט של פונקציית הקוסינוס שקובעת את מיקומו של נקודה בתוך הדפוס הסינוסואידלי. אלגוריתם יושם כדי לקבוע מופע זה בכל נקודה מתוך תמונות הפסים; מופע עטוף (wrapped phase) זה, כפי שחושב, נמצא בתוך המרווח.החל את אלגוריתם זה על מישור וקובית הכיול ועל נתוני הנבדק עבור ערכי PI שליליים ל-PI. לאחר מכן, בצע פתיחת פאזה (unwrap) למפות הפאזה באמצעות אלגוריתם אחר להוספה או חיסור של 2π בנקודות קפיצת פאזה. בטכניקה רב-תדרית, מפות הפאזה העטופות (wrapped) עבור כל תדר משולבות כדי להפיק מפת פאזה אחת פתוחה; בנקודה זו, חשוב לחזור על שלב הכיול. קח חתך רוחבי אופקי ממרכז מפת הפאזה של מישור הכיול.הסר את פרופיל המסה (bulk profile) כדי לקבל הערכת שגיאת פאזה. אם התבנית המוקרנת הייתה ממוקדת מדי, השגיאה תהיה גדולה. כוון את עדשת המקרן לפי הצורך כדי להגיע לשגיאה בטווח הנדרש.מינוס 0.1 עד 0.1 רדיאנים. לאחר מכן, אלגוריתם שלישי מחשב את עומקו של קוביית הכיול. זהו ההפרש בין מפות הפאזה של קוביית הכיול לבין מישור הייחוס.מכאן נקבע מקדם קנה מידה. עומקו של המדגם נמצא על ידי חיסור מפת הפאזה של מישור הייחוס ממפת הפאזה של המדגם והחלת מקדם קנה המידה. כעת ניתן לשמור את הנתונים לצורך ויזואליזציה ב-MATLAB או בתוכנה גרפית תלת-ממדית אחרת.הטכניקה מאפשרת דימוי תלת-ממדי במהירות גבוהה ובזמן אמת של פנים אדם, ברזולוציה גבוהה מספיק כדי לחשוף פרטים עדינים. קבוצת שלושת התמונות משמאל מציגה את הפנים במלואן ב-2D, במצבי טקסטורה, שכבה עליונה (overlay), הצללה, תאורה ומסגרת רשת (wire frame). במרכז מופיעה תצוגת תקריב של אזור האף במצב מסגרת רשת.שימו לב שצפיפות הנקודות מצד ימין היא תצוגה מקרוב של האזור שסביב העין. תמונות אלו הופקו באמצעות תבניות פסי סינוס. מוצג כאן סרטון תלת-ממדי של היווצרות חיוך.הסרטון צולם בתדר של 60 hertz ברזולוציה של 640 על 480, תוך שימוש בתבניות פס סינוסואידליות. ניתן לבצע וידאו בתלת-ממד בזמן אמת, הכולל לכידה, עיבוד ורינדור. בסרטון זה, המדידות בתלת-ממד מוצגות בתדר של 30 hertz על מסך המחשב.كدוגמה אחרונה ליכולותיה של שיטה זו, מוצג כאן דימוי וידאו בתלת-ממד של לב ארנב חי. באמצעות defocusing בינארי, קצב הלב היה כ-200 פעימות לדקה. קצב הלכידה התלת-ממדי היה 166 hertz עם רזולוציה של 576 על 576.מהירות גבוהה הייתה נחוצה כדי למנוע ארטיפקטים של תנועה. לאחר שליטה בכיול, ניתן לבצע את לכידת הנתונים ועיבוד הנתונים תוך מספר שעות אם הדבר מבוצע כראוי. באמצעות תוכנת עיבוד שתוכננה למהירות, ניתן להציג תוצאות של מעבדים רבים מאוד על מסך המחשב בזמן אמת לאחר פיתוחה.טכניקה זו סללה את הדרך עבור חוקרים בתחום המכניקה של פני השטח של הלב לחקור את הגאומטריה הדינמית של פני השטח של לב ארנב פועם באמצעות נתוני וידאו בתלת-ממד ברזולוציה גבוהה. לאחר צפייה בסרטון זה, תגמירו להבין את העקרונות הבסיסיים של תכנון והפעלה של מערכת וידאו תלת-ממדית ברזולוציה גבוהה ובמהירות גבוהה. בפרט, עליכם להכיר את המושגים העומדים בבסיס ההקרנה הדיגיטלית של פסי התאבכות (digital fringe projection) באמצעות תבניות בינאריות ממוקדות ואת שיטת הכיול של מישור הייחוס.עליך להיות מסוגל לזהות גם את ההבדל בין מפות פאזה פרוסות (unwrapped) טובות לגרועות.

high-resolution-high-speed-three-dimensional-video-imaging-with

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

Non-הרסני להדמיה נפח יכולה להיות מושגת רק על ידי טכניקות טומוגרפית, מתוכם היעילה ביותר היא טומוגרפיה רנטגן מיקרו ממוחשבת (CT).

ברזולוציה גבוהה 3D הדמיה של Ex-Vivo דגימות ביולוגיות באמצעות מיקרו-CT

הבנייה המלאה של מנהג, בזמן אמת, מערכת סריקה confocal הדמיה מתואר. מערכת זו, אשר ניתן להשתמש בהם בקלות עבור מיקרוסקופיה וידאו שיעור microendoscopy, מאפשר מערך של הגיאומטריות הדמיה ויישומים אינם נגישים באמצעות תקן מערכות confocal מסחרי, בכל חלק של עלות.

וידאו קצב סריקה מיקרוסקופית Confocal ו Microendoscopy

Lensfree טומוגרפיה אופטית היא טכניקה תלת מימדי מיקרוסקופיה המציע רזולוציה מרחבית של &lt;1 מיקרומטר × &lt;1 מיקרומטר × &lt;3 מיקרומטר ב X, Y ו-Z ממדים, בהתאמה, מעל נפח הדמיה גדול של 15-100...

Lensfree על שבב טומוגרפית מיקרוסקופית העסקת רב זווית תאורה פיקסל סופר רזולוציה

המקומות תלת ממדיים של אובייקטים בחולשה-פיזור יכולים להיות מזוהים באופן ייחודי באמצעות מיקרוסקופ דיגיטלי מוטבע הולוגרפית (DIHM), הכולל שינוי קל במיקרוסקופ רגיל. התוכנה שלנו משתמשת היוריסטי הדמיה פשוטה יחד עם ריילי-זומרפלד גב ההתפשטות להניב את המיקום ואת הגיאומטריה של אובייקט שלב מיקרוסקופי תלת ממדים.

דיגיטלי Inline הולוגרפי מיקרוסקופית (DIHM) של נושאים בחולשת פיזור

שיטה להתגברות על גבול ההשתברות האופטית מוצגת. השיטה כוללת תהליך בן שני שלבים: שלב אחזור אופטי באמצעות אלגוריתם Gerchberg-סקסטון חוזר ונשנה, והסטת מערכת הדמיה ואחריו חזרה על הצעד הראשון. צמצם עדשה מוגברת סינטטי מופק לאורך כיוון התנועה, מניב הדמיה ברזולוציה גבוהה יותר.

טכניקת ריבוב הזמן Super פתרון הדמיה מפלטפורמה נעה

מידע מרחבי-זמני על חלבונים דינמיים בתוך תאים חיים הוא חיוני להבנת הביולוגיה. סוג של מיקרוסקופיה ברזולוציה גבוהה הנקראת מיקרוסקופ תאורה תלת-ממדי מהיר (f3D-SIM) חושף מידע ייחודי על טבעת Z הציטוקינטית בחיידקים: הן המראה דמוי החרוז והן הדינמיקה המהירה של FtsZ בתוך הטבעת.

הדמיה ברזולוציה סופר של Cytokinetic Z הטבעת בחיידקים חיים באמצעות-Structured 3D מהיר תאורה מיקרוסקופית (f3D-SIM)

הדמיה ארבעה ממדים (4D) מנוצל כדי ללמוד את ההתנהגות ואינטראקציות בין שני סוגים של endosomes בחיים מסוף עצב חוליות. תנועה של המבנים הקטנים האלה מתאפיינת בשלושה ממדים, המאפשרת אישור של אירועים כגון היתוך endosome וexocytosis.

ויזואליזציה של Endosome Dynamics בחי מסוף עצב עם דימות פלואורסצנטי ארבעה ממדים

אנו מציגים מערכת הולוגרפית דיגיטלית קומפקטית השתקפות (CDHM) לבדיקה ואפיון של התקני MEMS. עיצוב-פחות עדשה באמצעות גל קלט לסטות מתן גדלה גיאומטרית טבעית מודגם. שני המחקרים סטטי ודינמי מוצגים.

עדשה-פחות קומפקטי מיקרוסקופ הולוגרפי הדיגיטלי פיקוח MEMS ואפיון

אנו מתארים פרוטוקול מפורט המשתמש במיקרוסקופיה אפיסקופית ברזולוציה גבוהה כדי לרכוש תמונות תלת מימדיות (תלת מימד) של עוברי עכברים. פרוטוקול משופר זה משתמש בשיטת הכנת רקמות שונה כדי לשפר את חדירת הצבע הפלואורסצנטי, ובכך מאפשר ניתוח מורפומטרי של דגימות קטנות וגדולות כאחד.

ראפיד רכישת תמונות 3D באמצעות ברזולוציה גבוהה מיקרוסקופית episcopic

אנו מציגים פרוטוקול ליצירת סרט בזמן אמת של חבילת גל סיבוב מולקולרי באמצעות מערך הדמיית פיצוץ קולומב ברזולוציה גבוהה.

הדמיה ישירה של סיבוב מולקולרי מהיר ליזר מונחה

אנו מציגים פרוטוקול כדי להקליט סט של הולוגרמות אנלוגי בצבע מלא במיוחד, המראה של בהירות זהה, שקיפות, וצבעים הומוגנית, על האמולסיות ההולוגרפיים מכסף במיוחד הליד-הלידי לייצור תלת-ממד הולוגרפית דינמי הציג.

הקלטת הולוגרמות אנלוגי בצבע מלא-ריאליסטי לשימוש בתצוגת הולוגרמה נעה

למד הדמיה תלת-ממדית ברזולוציה גבוהה ובמהירות גבוהה באמצעות טכניקות הקרנה הדיגיטלי פרינג'. השיטה מאפשרת לכידת יותר מ-300,000 נקודות נתונים לפריים ליישומים ביופיזיקה ונוירומדעים.

ברזולוציה גבוהה, במהירות גבוהה, הדמיה וידאו תלת ממדית עם טכניקות הקרנה הדיגיטלי פרינג'

גלה סרטונים נוספים