Hoog-resolutie, hoge-snelheid, driedimensionale videobeeldvorming met digitale franjeprojectietechnieken
December 3rd, 2013
Deze video beschrijft de fundamenten van digitale frinselprojectietechnieken, die dichte 3D-metingen van dynamisch veranderende oppervlakken leveren. Het demonstreert ook het ontwerp en de werking van een hogesnelheids binair defocusing systeem gebaseerd op deze technieken.
Het algemene doel van deze procedure is om 3D-video met hoge resolutie op of boven realtime snelheid vast te leggen. Dit wordt bereikt door eerst sinusoïdale patroonbeelden met hoge snelheid op het onderwerp te projecteren met behulp van een digitale lichtbewerkingsprojector. Drie verschoven cosign-patronen worden achter elkaar geprojecteerd om hoge nauwkeurigheid te bereiken.
Een camera wordt gebruikt om deze afbeeldingen vanuit een andere kijkhoek vast te leggen. De tweede stap is om de verpakte fase uit elke set van drie patroonafbeeldingen te berekenen. Dit wordt bereikt met behulp van de arctangentfunctie en de beeldintensiteitswaarden.
Vervolgens worden de fasen ontwikkeld om de twee pi-discontinuïteiten te verwijderen die het gevolg zijn van de arctangentfunctie. De laatste stap is om de diepte van de ontwikkelde fase van het onderwerp op te halen. Dit is het verschil tussen de ontwikkelde fasekaarten van het onderwerp en het kalibratievlak, passend geschaald en vertaald door constanten gevonden met behulp van een referentieobject.
Uiteindelijk kunnen de resulterende gegevensframes worden weergegeven met behulp van grafische software. Het grote voordeel van deze techniek ten opzichte van andere bestaande methoden zoals laserscane is dat deze zowel hoge resolutie als hoge snelheid kan bereiken. Omdat bekende sinusoïdale patronen op het onderwerp worden geprojecteerd, kan voor elke pixel van de gebruikte camera een 3D-gegevenspunt worden verkregen met een 5 76 bij 5 76-camera.
We kunnen meer dan 300.000 3D-gegevenspunten per frame verkrijgen. Hoewel deze methode mogelijke medische toepassingen heeft, zoals het vastleggen van de vorming van gezichtsuitdrukkingen of de klopoppervlakte van een hart, kan deze ook op tal van andere studiegebieden worden toegepast. Het maakt hoge resolutie gezichtsbewegingsvastlegging mogelijk voor gebruik in films en videogames, of een verbeterde methode voor videoconferenties.
Het kan ook worden gebruikt om defecten in een productieomgeving te detecteren. Visuele demonstratie van deze methode is cruciaal als kalibratie. Verwerkingsstappen zijn moeilijk te leren vanwege de visuele leeftijd van het systeem en zijn metingen.
De eenvoudigste en gemakkelijkste manier om problemen te detecteren is met een getraind visueel onderzoek. De eerste stap is het genereren van de patroonbeelden die zullen worden geprojecteerd. Deze worden van tevoren voorbereid met behulp van een beeldprogrammeeromgeving hier, matlab.
Deze video richt zich op het gebruik van binaire patronen. Om een onscherp binair patroon te produceren, gebruikt u een ditheringtechniek om sinusoïdale patronen te genereren met alleen pure zwarte en pure witte pixels. Maak drie afbeeldingen van het patroon verschoven in fase van elkaar met twee pi over drie, zoals vereist door de drie-staps faseverschuivingsalgoritme.
In deze demonstratie worden nog twee sets van drie geproduceerd voor de multifrequentietechniek, die scherpere veranderingen in diepte kan vastleggen. Selecteer vervolgens een hoogsnelheidsdigitaal lichtbewerkingsprojector met een monochromatische instelling. Gebruik de software die bij de projector wordt geleverd om de afbeeldingen voor faseverschuiving te uploaden.
Kies nu een zwart-wit C, CD of COS-camera met de juiste opnamefrequentie voor het systeem. Houd er rekening mee dat de camera de volledige set patroonafbeeldingen voor elke videoframe moet vastleggen om de afstand te vinden waarop de projector ten opzichte van het object moet worden geplaatst. Beweeg de projector ten opzichte van een grote vlakke oppervlakte wanneer de verticale en horizontale omvang van het beeld iets groter is dan het object dat moet worden bestudeerd.
Meet de afstand van de projector tot de muur. Gebruik het gewenste gezichtsveld op deze afstand en de sensorgrootte van de camera om de brandpuntsafstand van de lens te bepalen. De laatste configuratiestap is om de hoekscheiding tussen de projector en de camera bij een grote hoek tussen deze componenten te bepalen.
Triangulatie tussen kenmerkende punten is duidelijk, maar meer kenmerken gaan verloren in de schaduw. Bij een kleine hoek wordt triangulatie moeilijk, waardoor het ruis in de resultaten toeneemt. Typisch is 10 tot 15 graden een goede compromis.
Het is het beste om de kalibratie net voor het vastleggen van gegevens uit te voeren. Voor een binair onscherp systeem, ontdoet u de projectielens van het scherpstellen totdat de patronen op het beeldvlak op hoge kwaliteit sinusoïden lijken. Dit kan een iteratieve proces vereisen van het onderzoeken van testgegevens en het aanpassen van de lens.
Als de randen samen wazig worden, is de projector te onscherp. Als er stippen zichtbaar zijn in het patroon, is de projector te scherp. Plaats nu een platte whiteboard in het gezichtsveld van zowel de camera als de projector.
Projecteer de eerste van de randbeelden op het bord. Vang het vervolgens met de cameraprojectie op en neem de resterende randbeelden op. Bewaar op dezelfde manier deze randbeelden voor de gegevensverwerkingsstap en label ze als het kalibratievlak.
Plaats vervolgens een object met bekende afmetingen in het gezichtsveld van het systeem. Hier wordt een stijve schuimkubus bedekt met vierkanten van diffuse schuimlijm gebruikt. Projecteer dezelfde reeks randbeelden op de kubus.
Vang ze elk met de camera op. Bewaar de opgenomen afbeeldingen voor de verwerkingsstap en label ze als de kalibratiekubus. Om gegevens te verzamelen.
Plaats het onderwerp in het brandvlak van de camera, projecteer randbeelden op het onderwerp en neem ze op. Hoge snelheid is meestal vereist voor correcte bewegingsvastlegging bij hoge snelheid. Het menselijk oog kan alleen de randen zien.
Bij temporele interferentie. Gebruik de opgenomen afbeeldingen om te helpen bij aanpassingen aan de camera-opening. Om het lichtniveau te optimaliseren, moeten de randbeelden zo helder mogelijk zijn, maar niet verzadigd.
De volgende stap is post-verwerking van de gegevens. In de drie-staps faseverschuivingsalgoritme is de fase het argument van de cosign-functie die de positie van een punt binnen het sinusoï
Overzicht
Deze video beschrijft digitale fringe projectietechnieken voor het vastleggen van dichte 3D-metingen van dynamische oppervlakken. Het benadrukt het ontwerp en de werking van een high-speed binair defocuseringssysteem.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Biofysica
- Beeldvormingstechnieken
Achtergrond
- Digitale fringe projectie maakt hoge resolutie 3D-video-opname mogelijk.
- Gebruikt sinusoïdale patroonprojecties op objecten.
- Biedt voordelen ten opzichte van traditionele laserscanmethoden.
- Toepasbaar in verschillende gebieden, waaronder medische beeldvorming en motion capture.
Doel van de studie
- Om real-time hoge resolutie 3D-video-opname te bereiken.
- Om de effectiviteit van binaire defocuseringssystemen te demonstreren.
- Om een visuele gids te bieden voor kalibratie en dataverwerking.
Gebruikte methoden
- Projectie van sinusoïdale patroonprojecties met behulp van een digitale lichtbewerkingsprojector.
- Opnemen van beelden met een hogesnelheidscamera vanuit een andere hoek.
- Berekenen van de wrapped phase uit patroonbeeldbeelden.
- Unwrapping van fasen om diepinformatie te verkrijgen.
Belangrijkste resultaten
- Met succes meer dan 300.000 3D-datapunten per frame vastgelegd.
- Hoge snelheid en hoge resolutiecapaciteiten aangetoond.
- Mogelijke toepassingen in medische en entertainmentvelden gedemonstreerd.
- Een gedetailleerd kalibratieproces voor nauwkeurige metingen geleverd.
Conclusies
- Digitale fringe projectie is een krachtig hulpmiddel voor 3D-beeldvorming.
- Binaire defocuseringssystemen verbeteren de kwaliteit van vastgelegde data.
- Visuele demonstraties zijn cruciaal voor het begrijpen van complexe verwerkingsstappen.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Digital fringe projection enables high-resolution, high-speed 3D video capture of dynamic biological surfaces, supporting mechanistic de-risking in early discovery by providing quantitative, reproducible phenotypic data. This capability enhances target validation and assay development workflows where precise spatiotemporal measurements of tissue or cellular dynamics are required. The technique offers a scalable, cost-effective alternative to traditional 3D imaging methods, improving predictive confidence in preclinical model systems.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through precise 3D mapping of dynamic surface changes in biological systems.
- Operational Value: Supports biological de-risking by delivering dense, quantitative depth measurements for functional target assessment.
- Predictive Value: Enhances portfolio triage by generating high-fidelity phenotypic data that improves confidence in lead selection.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream screening by establishing baseline 3D morphometric profiles.
- Operational Value: Enables assay standardization and reproducibility through calibrated, high-speed 3D data acquisition.
- Scalability: Facilitates platform reuse across multiple targets due to flexible, non-contact measurement approach.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Aligns with disease-relevant systems by capturing dynamic surface mechanics in models such as beating heart or facial motion.
- Operational Value: Ensures translational continuity from discovery through preclinical validation via consistent 3D phenotyping.
- Risk-Adjusted Decisions: Supports advancement criteria by providing objective, quantifiable endpoints for efficacy and safety assessment.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early target validation through lead identification to preclinical studies, enabling continuous 3D monitoring of biological responses.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by quantifying 3D surface dynamics in response to perturbations.
- Screening: Delivers assay readiness and quantitative outputs essential for reliable compound evaluation in phenotypic screens.
- Analytics: Provides depth measurements and phase-derived readouts that enable statistical comparison across experimental conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by capturing functional dynamics in disease-relevant models like cardiac mechanics.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable imaging capability across projects due to its adaptability to various biological specimens.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by reducing mechanistic ambiguity in dynamic biological processes.
- Operational Value: Delivers standardization, reproducibility, and scalability in 3D data generation across labs and sites.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions, capital efficiency, and reduces late-stage biological risk through early phenotypic de-risking.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on high-resolution, high-speed 3D phenotyping.
Implementation Considerations
- Requires expertise in optical system setup, phase-shifting algorithms, and 3D reconstruction techniques.
- Needs high-speed projector, synchronized camera, and GPU-accelerated processing infrastructure.
- Demands cross-team standardization of calibration protocols and environmental controls for reliable data.
- Involves adaptation considerations when applying to diverse model systems with varying optical properties.
- Includes practical limitations such as sensitivity to surface reflectivity and ambient light interference, as noted in source material.
