Hoog-resolutie, hoge-snelheid, driedimensionale videobeeldvorming met digitale franjeprojectietechnieken
3 december 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 projection-technieken voor het vastleggen van dichte 3D-metingen van dynamische oppervlakken. Er wordt ingegaan op het ontwerp en de werking van een high-speed binair defocusingsysteem.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Neurowetenschappen
- Biofysica
- Beeldvormingstechnieken
Achtergrond
- Digitale franje-projectie maakt 3D-videocapture met een hoge resolutie mogelijk.
- Maakt gebruik van sinusvormige franjepatronen die op de objecten worden geprojecteerd.
- Biedt voordelen ten opzichte van traditionele laserscanmethoden.
- Toepasbaar in diverse vakgebieden, waaronder medische beeldvorming en motion capture.
Doel van de studie
- Om real-time 3D-videocapture met een hoge resolutie te realiseren.
- Om de effectiviteit van binaire defocusingsystemen aan te tonen.
- Om een visuele handleiding te bieden voor kalibratie en gegevensverwerking.
Gebruikte methoden
- Projecteren van sinusoidale franje-patronen met een digital light processing-projector.
- Het vastleggen van beelden met een hogesnelheidscamera vanuit een andere hoek.
- Berekenen van de gewikkelde fase uit de franje-patroonbeelden.
- Ontwikkelen van de fasen om diepte-informatie terug te winnen.
Belangrijkste resultaten
- Met succes meer dan 300.000 3D-datapunten per frame vastgelegd.
- Hoge snelheid en hoge resolutie aangetoond.
- Potentiële toepassingen in de medische sector en de entertainmentindustrie gepresenteerd.
- Een gedetailleerd kalibratieproces geleverd voor nauwkeurige metingen.
Conclusies
- Digitale frange-projectie is een krachtig instrument voor 3D-beeldvorming.
- Binaire defocuseringssystemen verbeteren de kwaliteit van de vastgelegde gegevens.
- Visuele demonstraties zijn essentieel voor het begrijpen van complexe verwerkingsstappen.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Digitale franje-projectie maakt hoge-resolutie, hoge-snelheid 3D-videocaptuur van dynamische biologische oppervlakken mogelijk, wat mechanistische risicoreductie in vroege ontdekkingsfasen ondersteunt door het leveren van kwantitatieve, reproduceerbare fenotypische gegevens. Deze mogelijkheid verbetert workflows voor targetvalidatie en assayontwikkeling waarbij nauwkeurige spatiotemporele metingen van weefsel- of celdynamiek vereist zijn. De techniek biedt een schaalbaar, kosteneffectief alternatief voor traditionele 3D-beeldvormingsmethoden, waardoor het voorspellend vertrouwen in preklinische modelsystemen wordt vergroot.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van therapeutische hypothesen mogelijk door middel van nauwkeurige 3D-mapping van dynamische oppervlakteveranderingen in biologische systemen.
- Operationele waarde: Ondersteunt biologische risicoreductie door het leveren van dense, kwantitatieve dieptemetingen voor functionele targetbeoordeling.
- Voorspellende waarde: Verbeter gerais de prioritering van portfolio's door het genereren van high-fidelity fenotypische data, wat het vertrouwen in de selectie van lead-compounds vergroot.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Bereidt gevalideerde biologische systemen voor op downstream screening door het vaststellen van basis 3D-morfometrische profielen.
- Operationele waarde: Maakt standaardisatie en reproduceerbaarheid van assays mogelijk via gekalibreerde, hoge-snelheid 3D-data-acquisitie.
- Schaalbaarheid: Vergemakkelijkt hergebruik van het platform voor meerdere targets dankzij een flexibele, contactloze meetmethode.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Sluit aan bij ziekterelevante systemen door dynamische oppervlaktemechanica vast te leggen in modellen zoals een kloppend hart of gezichtsbewegingen.
- Operationele waarde: Waarborgt translationele continuïteit van ontdekking tot preklinische validatie via consistente 3D-fenotypering.
- Risico-gecorrigeerde beslissingen: Ondersteunt voortgangscriteria door objectieve, kwantificeerbare eindpunten te bieden voor de beoordeling van werkzaamheid en veiligheid.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode integreert in het ontdekkingscontinuüm, van vroege targetvalidatie via leadidentificatie tot preklinische studies, waardoor continue 3D-monitoring van biologische responsen mogelijk wordt.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetesten en de verduidelijking van signaalpaden door 3D-oppervlaktedynamiek in reactie op perturbaties te kwantificeren.
- Screening: Biedt assay-gereedheid en kwantitatieve output die essentieel zijn voor een betrouwbare evaluatie van verbindingen in fenotypische screens.
- Analytics: Levert dieptemetingen en fase-afgeleide read-outs die statistische vergelijkingen tussen verschillende experimentele condities mogelijk maken.
- Translationeel Onderzoek: Sluit aan bij preklinische continuïteit door functionele dynamiek vast te leggen in ziekterelevante modellen, zoals cardiale mechanica.
- Enterprise Hergebruik: Fungeert als een herbruikbare imaging-capaciteit over diverse projecten heen dankzij de aanpasbaarheid aan verschillende biologische specimens.
Operationele & Bedrijfsmatige Impact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen door mechanistische ambiguïteit in dynamische biologische processen te verminderen.
- Operationele waarde: Levert standaardisatie, reproduceerbaarheid en schaalbaarheid bij de generatie van 3D-data over verschillende laboratoria en locaties heen.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen en kapitaalefficiëntie, en vermindert biologische risico's in een laat stadium door vroege fenotypische risicoreductie.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering en voortgangsbeslissingen mogelijk op basis van hoge-resolutie, hoge-snelheid 3D-fenotypering.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in de opstelling van optische systemen, faseverschuivingsalgoritmen en 3D-reconstructietechnieken.
- Vereist een hogesnelheidsprojector, een gesynchroniseerde camera en een GPU-versnelde verwerkingsinfrastructuur.
- Vereist teamoverschrijdende standaardisatie van kalibratieprotocollen en omgevingscontroles voor betrouwbare gegevens.
- Omvat overwegingen met betrekking tot adaptatie bij toepassing op diverse modelsystemen met variërende optische eigenschappen.
- Bevat praktische beperkingen, zoals gevoeligheid voor oppervlakte-reflectiviteit en interferentie van omgevingslicht, zoals vermeld in het bronmateriaal.
